JP6315600B2 - Semiconductor optical device - Google Patents
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Description
本発明は、光送信器用光源などに利用される半導体レーザや半導体光増幅器などに適用可能な半導体光素子に関する。 The present invention relates to a semiconductor optical device applicable to a semiconductor laser, a semiconductor optical amplifier, or the like used for a light source for an optical transmitter.
インターネットの普及に伴うネットワークトラフィック量の爆発的な増大により、光ファイバ伝送の高速・大容量化が続いている。この中で、半導体レーザは、光ファイバ通信を支える光源デバイスとして発展を続けてきた。特に、分布帰還型(distributed-feedback:DFB)レーザによる単一モード光源の実現は、時分割多重方式、および波長分割多重方式による光ファイバ通信の高速化、大容量化に大きく寄与してきた。 Due to the explosive increase in the amount of network traffic accompanying the spread of the Internet, optical fiber transmission continues to increase in speed and capacity. Among these, the semiconductor laser has been continuously developed as a light source device that supports optical fiber communication. In particular, the realization of a single-mode light source using a distributed-feedback (DFB) laser has greatly contributed to speeding up and increasing the capacity of optical fiber communication by time division multiplexing and wavelength division multiplexing.
しかし、従来の多重化技術による大容量化が限界に近づいており、近年は周波数利用効率や分散耐性に優れた多値変調方式が検討されている。現在、すでにQPSK(quadrature phase-shift keying:4値位相変調方式)等の多値位相変調や、位相変調信号受信のためのデジタルコヒーレント方式の研究開発が進展し、多値位相変調方式を用いた40Gおよび100Gシステムが実用化を迎えている。また、研究レベルでは、位相変調方式に加えて振幅位相変調方式の進展が著しい。 However, the increase in capacity by the conventional multiplexing technique is approaching the limit, and in recent years, multi-level modulation schemes excellent in frequency use efficiency and dispersion tolerance have been studied. Currently, research and development of multi-level phase modulation such as QPSK (quadrature phase-shift keying) and digital coherent system for receiving phase-modulated signals has progressed, and multi-level phase modulation system is used. 40G and 100G systems are in practical use. At the research level, in addition to the phase modulation method, the progress of the amplitude phase modulation method is remarkable.
これらの多値変調受信のためのキーデバイスの1つが、送信器、および受信側の局所光として用いられる半導体レーザである。特に、デジタルコヒーレント方式による位相変調信号の受信には干渉を用いるため、光源の位相ノイズ、すなわち光源の線幅特性が受信特性に大きく影響する。このことから、光源の線幅は狭ければ狭いほど望ましく、現在の100Gシステムには1MHz以下が要求され、将来的には100kHz以下の線幅が要求される見込みである。 One of the key devices for receiving these multilevel modulations is a semiconductor laser used as a transmitter and local light on the receiving side. In particular, since interference is used to receive a phase modulation signal by the digital coherent method, the phase noise of the light source, that is, the line width characteristic of the light source greatly affects the reception characteristic. Therefore, it is desirable that the line width of the light source is as narrow as possible. The current 100G system is required to have a frequency of 1 MHz or less, and in the future, a line width of 100 kHz or less is expected.
これまでに、半導体レーザの線幅抑制に向けて様々な検討がなされてきた。半導体レーザの線幅Δνは、ヘンリーによる拡張されたショウロウ・タウンズの関係式に基づき、以下のように表される。 Up to now, various studies have been made for suppressing the line width of a semiconductor laser. The line width Δν of the semiconductor laser is expressed as follows based on the extended Showlow Towns relational expression by Henry.
なお、式(1)において、hはプランク定数、νは発振周波数、P0はレーザ出力、vgは群速度、αmは共振器損、α0は導波路損、Fは出力係数、KはPetermann’sファクター、Laは活性層長さ、Lpは共振器長、nspは発光再結合定数、αは線幅増大係数である。 In the equation (1), h is Planck's constant, [nu oscillation frequency, P0 is the laser output, v g is the group velocity, alpha m resonator loss, alpha 0 is guided Michison, F is the output coefficient, K is Petermann's factor, L a is the active layer length, L p is the cavity length, n sp is the luminescence recombination constant, and α is the line width enhancement factor.
例えば、全体の共振器長Lpに対する活性層Laの比を小さくすることで容易に線幅抑制が可能であることから、外部共振器を用いた狭線幅レーザは有力な技術の1つである。これまでに、導波路型共振器構造(非特許文献1参照)または空間型共振器構造(非特許文献2参照)が報告されており、線幅100kHz以下のレーザが実現されている。 For example, since it is possible to readily linewidth suppressed to reduce the ratio of the active layer L a to the total cavity length L p, narrow linewidth laser using an external resonator One powerful technique It is. So far, a waveguide resonator structure (see Non-Patent Document 1) or a spatial resonator structure (see Non-Patent Document 2) has been reported, and a laser with a line width of 100 kHz or less has been realized.
しかし、外部共振器を用いたレーザは単一モード化や発振波長の安定化に課題がある。また、素子サイズが大きくなることから、将来的な大規模集積に向けては課題が大きい。このことから、半導体モノリシック集積可能な狭線幅レーザが求められている。主要なアプローチとしては、共振器損αmを抑制する手法がとられている。 However, a laser using an external resonator has problems in making a single mode and stabilizing the oscillation wavelength. In addition, since the element size is increased, there are significant problems for future large-scale integration. For this reason, a narrow linewidth laser capable of semiconductor monolithic integration is desired. As a main approach, a technique for suppressing the resonator loss α m is employed.
共振器損の抑制は、モード閾値利得係数の低減、共振器内の光子寿命の増大と言い換えることができる。すなわち、共振器内に長時間光を閉じこめることができればよい。このために、共振器長を長くして閾値利得係数を下げるアプローチがとられてきた。λ/4シフト型DFBレーザにおける共振器損の抑制に向けては、DFBの回折格子の結合係数κを上げる方法と、活性層長Lを長くする方法の2つのアプローチがある。 Suppressing the resonator loss can be restated as reducing the mode threshold gain coefficient and increasing the photon lifetime in the resonator. That is, it is only necessary that light can be confined in the resonator for a long time. For this reason, approaches have been taken to increase the resonator length and lower the threshold gain coefficient. To suppress the resonator loss in the λ / 4 shift type DFB laser, there are two approaches: a method of increasing the coupling coefficient κ of the DFB diffraction grating and a method of increasing the active layer length L.
しかし、κLを高くすると空間ホールバーニングの影響が大きくなり、共振器内のキャリア分布が不均一になる。このことにより実効屈折率分布が大きくなり、単一モード発振が得られない。従って、一般にはκLの値は1.5程度にとどめ、活性層長Lを長くして閾値利得係数を下げる手法がとられている。これまでに素子長1500μmのλ/4シフトDFBレーザにおいて、線幅160kHzが実現されている(非特許文献3参照)。 However, if κL is increased, the effect of spatial hole burning increases, and the carrier distribution in the resonator becomes non-uniform. As a result, the effective refractive index distribution becomes large and single mode oscillation cannot be obtained. Therefore, generally, the value of κL is limited to about 1.5, and the active layer length L is increased to lower the threshold gain coefficient. So far, a line width of 160 kHz has been realized in a λ / 4 shift DFB laser with an element length of 1500 μm (see Non-Patent Document 3).
しかし、半導体レーザの共振器損を抑制すると、光が共振器内に長時間滞留することから、導波路損の影響を受けやすくなるため、光の取り出しが困難となり、十分な光出力が得られないという課題があった。従って、半導体レーザの狭線幅化に向けては、光導波路の損失低減が大きな課題である。 However, if the cavity loss of the semiconductor laser is suppressed, the light stays in the cavity for a long time, making it more susceptible to waveguide loss, making it difficult to extract the light and obtaining a sufficient light output. There was no problem. Therefore, reducing the loss of the optical waveguide is a major issue for narrowing the linewidth of the semiconductor laser.
従来技術の半導体レーザでは、活性層の上下に不純物ドーピングを行ったクラッド層を形成し、縦方向(基板面に垂直な方向)に電流を注入する構造を有している。特に、活性層内に効率的な電流注入を行う埋め込み構造は代表的な構造である。この半導体レーザについて、図21を用いて説明する。図21は、従来構造のpn埋め込み型の半導体レーザの構成を示す断面図である。この半導体レーザは、n型InPからなる基板601の上にn型InPからなるクラッド層602が積層され、この上に活性層603が形成されている。 A conventional semiconductor laser has a structure in which a cladding layer doped with impurities is formed above and below an active layer, and current is injected in a vertical direction (a direction perpendicular to the substrate surface). In particular, a buried structure for efficiently injecting current into the active layer is a typical structure. This semiconductor laser will be described with reference to FIG. FIG. 21 is a cross-sectional view showing a configuration of a conventional pn buried type semiconductor laser. In this semiconductor laser, a clad layer 602 made of n-type InP is laminated on a substrate 601 made of n-type InP, and an active layer 603 is formed thereon.
クラッド層602および活性層603の両側は、p−InPからなる埋め込み層604で埋め込まれている。また、埋め込み層604の上には、n−InP層からなる電流阻止層605が形成されている。活性層603および電流阻止層605の上部には、p−InPからなるオーバークラッド層606、p−InGaAsからなるコンタクト層607が形成されている。クラッド層602,活性層603および、オーバークラッド層606により光導波路が構成されている。また、電流阻止層605の上部領域におけるコンタクト層607上には、SiO2からなる絶縁層608が形成されている。また、絶縁層608の間においてコンタクト層607とオーミック接続するp電極611が形成され、基板601の裏面には、n電極612がオーミック接続している。 Both sides of the cladding layer 602 and the active layer 603 are buried with a buried layer 604 made of p-InP. A current blocking layer 605 made of an n-InP layer is formed on the buried layer 604. Over the active layer 603 and the current blocking layer 605, an over clad layer 606 made of p-InP and a contact layer 607 made of p-InGaAs are formed. The clad layer 602, the active layer 603, and the over clad layer 606 constitute an optical waveguide. An insulating layer 608 made of SiO 2 is formed on the contact layer 607 in the upper region of the current blocking layer 605. A p-electrode 611 that is in ohmic contact with the contact layer 607 is formed between the insulating layers 608, and an n-electrode 612 is in ohmic contact with the back surface of the substrate 601.
しかしながら、上述した埋め込みレーザは、導波路損失が大きいことが課題であった。pn埋め込み構造においては、活性層603の両側と上部が、ホール吸収量の高いp型の半導体から構成されるため、図22の領域613に示すように、電界が活性層603まわりのp型半導体の領域に大きく広がり、伝搬損の主要な原因となる。図23に、活性層を6層量子井戸構造としたpn埋め込み導波路構造の、活性層とp型半導体領域の光閉じ込め係数の計算結果を示す。図23において、(a)が活性層の量子井戸層の光閉じ込め係数の計算結果を示し、(b)がp型半導体領域の光閉じ込め係数の計算結果を示す。活性層幅は、0.5μmから1.6μmまで変化させる。 However, the above-described embedded laser has a problem that the waveguide loss is large. In the pn buried structure, both sides and the upper part of the active layer 603 are composed of a p-type semiconductor having a high hole absorption amount. Therefore, as shown in a region 613 in FIG. This is a major cause of propagation loss. FIG. 23 shows the calculation result of the optical confinement coefficient of the active layer and the p-type semiconductor region in the pn buried waveguide structure in which the active layer has a six-layer quantum well structure. In FIG. 23, (a) shows the calculation result of the optical confinement coefficient of the quantum well layer of the active layer, and (b) shows the calculation result of the optical confinement coefficient of the p-type semiconductor region. The active layer width is changed from 0.5 μm to 1.6 μm.
p半導体領域の光閉じ込めは、全ての導波路幅で35%を超えている。p型InPの吸収係数はドーピング濃度1×1018cm-3あたり約20cm-1である。従って、例えばp型半導体のドーピング濃度が1×1018cm-3の場合、p型半導体における損失だけでも7〜10cm-1に達している。従って、活性層周囲のp型半導体領域における伝搬損の低減が重要な課題である。 The optical confinement in the p semiconductor region is over 35% for all waveguide widths. The absorption coefficient of p-type InP is about 20 cm −1 per doping concentration of 1 × 10 18 cm -3 . Therefore, for example, when the doping concentration of the p-type semiconductor is 1 × 10 18 cm −3 , the loss in the p-type semiconductor alone reaches 7 to 10 cm −1 . Therefore, reduction of propagation loss in the p-type semiconductor region around the active layer is an important issue.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、埋め込み導波路構造の半導体光素子における導波路損失が低減できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to reduce waveguide loss in a semiconductor optical device having a buried waveguide structure.
本発明に係る半導体光素子は、基板の上に形成されたコアよりなる光導波路と、光導波路の導波方向に所定距離延在してコアと光結合可能な状態に配置された活性層と、活性層に接して形成されたp型半導体層およびn型半導体層と、活性層の下面および上面の少なくとも一方に接して形成された半導体層と、n型半導体層に接続するn型電極と、p型半導体層に接続するp型電極とを備え、p型半導体層およびn型半導体層は、基板の平面に平行な方向で活性層を挾んで形成され、活性層には、基板の平面に平行な方向で電流が注入され、コアは、p型半導体層より離間して形成されている。 A semiconductor optical device according to the present invention includes an optical waveguide formed of a core formed on a substrate, an active layer disposed in a state capable of being optically coupled to the core by extending a predetermined distance in the waveguide direction of the optical waveguide. A p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer formed in contact with the active layer, a semiconductor layer formed in contact with at least one of the lower surface and the upper surface of the active layer, an n-type electrode connected to the n-type semiconductor layer, A p-type electrode connected to the p-type semiconductor layer, and the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer are formed with the active layer sandwiched in a direction parallel to the plane of the substrate. current is injected in a direction parallel to the core, that is formed apart from the p-type semiconductor layer.
上記半導体光素子において、コアは、基板と活性層との間に配置されている。活性層の上面に接して形成された半導体層は、側面がp型半導体層およびn型半導体層に接し、かつp型とされている。 In the semiconductor optical device, the core is disposed between the substrate and the active layer. The semiconductor layer formed in contact with the upper surface of the active layer has a side surface in contact with the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer and is p-type.
上記半導体光素子において、コアは、基板の側から見て活性層の上に配置されている。 In the semiconductor optical device, the core is disposed on the active layer as viewed from the substrate side.
上記半導体光素子において、活性層の下面に接して形成された半導体層は、側面がp型半導体層およびn型半導体層に接し、かつp型とされている In the semiconductor optical device, the side surface of the semiconductor layer formed in contact with the lower surface of the active layer is in contact with the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer and is p-type .
上記半導体光素子において、p型半導体層およびn型半導体層は、InPから形成されているようにしても良い。 In the semiconductor optical device, p-type semiconductor layer contact and the n-type semiconductor layer may be on so that is formed from InP.
以上説明したことにより、本発明によれば、埋め込み導波路構造の半導体光素子における導波路損失が低減できるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, it is possible to obtain an excellent effect that waveguide loss in a semiconductor optical device having a buried waveguide structure can be reduced.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[実施の形態1]
はじめに、本発明の実施の形態1について、図1A,図1Bを用いて説明する。図1Aは、本発明の実施の形態1における半導体光素子を示す断面図である。また、図1Bは、本発明の実施の形態1における半導体光素子を示す斜視図である。
[Embodiment 1]
First, Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIGS. 1A and 1B. FIG. 1A is a cross-sectional view showing a semiconductor optical device according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 1B is a perspective view showing the semiconductor optical device according to Embodiment 1 of the present invention.
この半導体光素子は、まず、基板100の上に形成されたクラッド層101およびコア102よりなる光導波路121を備える。コア102は、クラッド層101に埋め込まれている。また、光導波路121の導波方向に所定距離延在してコア102と光結合可能な状態に配置された活性層103と、活性層103の上に形成された半導体層104とを備える。また、活性層103および半導体層104に接して活性層103および半導体層104を挾んで形成された、n型半導体層105およびp型半導体層106を備える。実施の形態1では、コア102は、基板100と活性層103との間に配置されている。また、実施の形態1において、活性層103には、基板100の平面に平行な方向で電流が注入される。 The semiconductor optical device includes an optical waveguide 121 including a clad layer 101 and a core 102 formed on a substrate 100. The core 102 is embedded in the cladding layer 101. In addition, the active layer 103 includes a active layer 103 that extends in a waveguide direction of the optical waveguide 121 and is optically coupled to the core 102, and a semiconductor layer 104 that is formed on the active layer 103. In addition, an n-type semiconductor layer 105 and a p-type semiconductor layer 106 are provided which are in contact with the active layer 103 and the semiconductor layer 104 and sandwich the active layer 103 and the semiconductor layer 104 therebetween. In the first embodiment, the core 102 is disposed between the substrate 100 and the active layer 103. In the first embodiment, current is injected into the active layer 103 in a direction parallel to the plane of the substrate 100.
実施の形態1では、上述した活性層103が、基板100から見て光導波路121の上に配置されていることになる。 In the first embodiment, the active layer 103 described above is disposed on the optical waveguide 121 when viewed from the substrate 100.
また、n型半導体層105にコンタクト層107により接続するn型電極109と、p型半導体層106にコンタクト層108により接続するp型電極110とを備える。p型半導体層106およびn型半導体層105は、基板100の平面に平行な方向で活性層103を挾んで形成されている。 Further, an n-type electrode 109 connected to the n-type semiconductor layer 105 through the contact layer 107 and a p-type electrode 110 connected to the p-type semiconductor layer 106 through the contact layer 108 are provided. The p-type semiconductor layer 106 and the n-type semiconductor layer 105 are formed with the active layer 103 sandwiched in a direction parallel to the plane of the substrate 100.
また、実施の形態1では、光導波路121の延在方向に所定の長さの共振器領域131において、半導体層104の上面に回折格子パターン132が形成され、波長1.55μmの分布ブラッグ反射構造が構成されている。なお、図1Bでは省略しているが、コンタクト層107とコンタクト層108との間の半導体層104、n型半導体層105、p型半導体層106の上面は、保護膜111により保護されている。実施の形態1における半導体光素子は、共振器領域131の両端に、図示しない無反射膜が形成され、分布帰還型レーザを構成している。 In the first embodiment, the diffraction grating pattern 132 is formed on the upper surface of the semiconductor layer 104 in the resonator region 131 having a predetermined length in the extending direction of the optical waveguide 121, and the distributed Bragg reflection structure has a wavelength of 1.55 μm. Is configured. Although not shown in FIG. 1B, the upper surfaces of the semiconductor layer 104, the n-type semiconductor layer 105, and the p-type semiconductor layer 106 between the contact layer 107 and the contact layer 108 are protected by a protective film 111. In the semiconductor optical device according to the first embodiment, a non-reflective film (not shown) is formed at both ends of the resonator region 131 to constitute a distributed feedback laser.
基板100およびクラッド層101は、例えば、鉄をドープすることで半絶縁性としたInPから構成され、コア102は、InGaAsPから構成されている。また、活性層103は、InGaAsPからなる層厚6nmの井戸層厚および層厚9nmのバリア層厚が8層積層された量子井戸構造とされている。活性層103の発光波長は1.55μmである。 The substrate 100 and the clad layer 101 are made of, for example, InP made semi-insulating by doping iron, and the core 102 is made of InGaAsP. The active layer 103 has a quantum well structure in which eight layers of a 6 nm thick well layer and a 9 nm thick barrier layer made of InGaAsP are stacked. The emission wavelength of the active layer 103 is 1.55 μm.
また、例えば、半導体層104は、アンドープのInP(i−InP)から構成され、n型半導体層105は、Siが1×1018cm-3程度ドープされたn型のInP(n−InP)から構成され、p型半導体層106は、Znが1×1018cm-3程度ドープされたp型のInP(p−InP)から構成されている。 Further, for example, the semiconductor layer 104 is made of undoped InP (i-InP), and the n-type semiconductor layer 105 is an n-type InP (n-InP) doped with Si of about 1 × 10 18 cm −3. The p-type semiconductor layer 106 is made of p-type InP (p-InP) doped with about 1 × 10 18 cm −3 of Zn.
また、コンタクト層107は、Siが1×1019cm-3程度ドープされたn型のInGaAs(n−InGaAs)から構成され、コンタクト層108は、Znが1×1019cm-3程度ドープされたInGaAs(p−InGaAs)から構成されている。また、保護膜111は、例えば、SiO2から構成されている。 The contact layer 107 is made of n-type InGaAs (n-InGaAs) doped with about 1 × 10 19 cm −3 of Si, and the contact layer 108 is doped with about 1 × 10 19 cm −3 of Zn. InGaAs (p-InGaAs). Further, the protective film 111 is made of, for example, SiO 2 .
各化合物半導体層は、例えば、よく知られた有機金属気相成長法による結晶成長で形成されている。また、各導波路構造および回折格子の形成には、公知のリソグラフィー技術およびウエットエッチング,ドライエッチングによるパターニングが用いられている。また、n型半導体層105およびp型半導体層106は、上述したパターニングなどにより活性層103,半導体層104を形成した後のn−InPおよびp−InPの埋め込み再成長により形成することができる。なお、これらは、アンドープのInPの埋め込み再成長により各部分を形成した後、イオン注入や熱拡散法などによる不純物導入で、各々の不純物導入状態としても良い。 Each compound semiconductor layer is formed, for example, by crystal growth by a well-known metal organic chemical vapor deposition method. In addition, each of the waveguide structures and the diffraction grating is formed by using a known lithography technique and patterning by wet etching or dry etching. The n-type semiconductor layer 105 and the p-type semiconductor layer 106 can be formed by buried regrowth of n-InP and p-InP after forming the active layer 103 and the semiconductor layer 104 by the above-described patterning or the like. In addition, after forming each part by burying regrowth of undoped InP, these impurities may be introduced by introducing impurities by ion implantation or a thermal diffusion method.
次に、実施の形態1における半導体光素子の特性について説明する。まず、電界の分布について説明する。実施の形態1における半導体光素子では、図2A(楕円領域),図2B(電界分布の計算結果)に示すように、コア102を中心として電界が分布する。このように、電界強度の多くは、伝搬損失の低い活性層下部のコア102の領域に存在しており、電界とp型半導体層106との重なりは、非常に小さいものとなる。 Next, characteristics of the semiconductor optical device in the first embodiment will be described. First, the electric field distribution will be described. In the semiconductor optical device according to the first embodiment, as shown in FIG. 2A (elliptical region) and FIG. 2B (calculation result of electric field distribution), the electric field is distributed around the core 102. Thus, most of the electric field strength exists in the region of the core 102 below the active layer with low propagation loss, and the overlap between the electric field and the p-type semiconductor layer 106 is very small.
次に、活性層103周囲における光閉じ込めの活性層幅依存性について図3A、図3Bを用いて説明する。図3Aは、p型半導体層106における光閉じ込めの活性層幅依存性を示し、図3Bは、活性層103における光閉じ込めの活性層幅依存性を示す。コア102のバンドギャップ波長は1.3μm、または1.4μmとし、コア102の厚さは300nmとした。活性層103とコア102との間隔は100nm、活性層103上部に配置される半導体層104の厚さは200nmとした。 Next, the dependence of light confinement around the active layer 103 on the active layer width will be described with reference to FIGS. 3A and 3B. FIG. 3A shows the active layer width dependency of light confinement in the p-type semiconductor layer 106, and FIG. 3B shows the active layer width dependency of light confinement in the active layer 103. The band gap wavelength of the core 102 was 1.3 μm or 1.4 μm, and the thickness of the core 102 was 300 nm. The distance between the active layer 103 and the core 102 was 100 nm, and the thickness of the semiconductor layer 104 disposed on the active layer 103 was 200 nm.
いずれの構成においても、p型半導体層106における光閉じ込めは2.5%以下であり、pn埋め込み構造と比較して10分の1以下に低減している。活性層103の光閉じ込めは2.5〜5%と、pn埋め込み構造と遜色なく、レーザ発振に十分な光閉じ込めが得られる。なお、活性層幅が広ければ広いほど活性層103の光閉じ込めが増大し、併せてp型半導体層106における損失は低下するが、横方向のキャリア注入の均一性を考慮すると活性層103の幅は1μm以下であることが望ましい。 In any configuration, the optical confinement in the p-type semiconductor layer 106 is 2.5% or less, and is reduced to 1/10 or less as compared with the pn buried structure. The optical confinement of the active layer 103 is 2.5 to 5%, which is comparable to the pn buried structure, and sufficient optical confinement for laser oscillation can be obtained. In addition, although the optical confinement of the active layer 103 increases and the loss in the p-type semiconductor layer 106 also decreases as the active layer width increases, the width of the active layer 103 is considered in consideration of the uniformity of lateral carrier injection. Is desirably 1 μm or less.
次に、レーザ線幅の光出力依存性について図4を用いて説明する。図4は、従来構造(a)と実施の形態1における半導体光素子(b)におけるレーザの線幅の光出力依存性の計算結果である。計算には式(1)を用いた。実施の形態1では、活性層幅を1μm、コア102のバンドギャップ波長を1.3μmとしている。レーザ共振器は、κLが1.5、共振器長は1500μmとした。線幅増大係数αは5、群屈折率vgは4.2、Petermann’sファクターKは2、出力係数Fは0.5、自然放出係数nspは1である。 Next, the light output dependency of the laser line width will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a calculation result of the light output dependence of the laser line width in the conventional structure (a) and the semiconductor optical device (b) in the first embodiment. Formula (1) was used for the calculation. In the first embodiment, the active layer width is 1 μm, and the band gap wavelength of the core 102 is 1.3 μm. The laser resonator had a κL of 1.5 and a resonator length of 1500 μm. The linewidth enhancement factor alpha 5, the group refractive index v g 4.2, Petermann's factor K is 2, the output factor F 0.5, the spontaneous emission factor n sp is 1.
従来型構造においては、p型半導体領域の損失を10cm-1、その他の損失を5cm-1とした。一方で、実施の形態1においては、図3Aよりp型半導体層106の光閉じ込めは1%であることから、この領域の損失は0.2cm-1である。従って、実施の形態1におけるp型半導体領域の損失は、その他の損失5cm-1と比較してほとんど無視できる。光損失の低減により光出力の効率が増大し、同一光出力で比較した際に大幅に線幅が低減する。出力20mW以下でも100kHz以下の線幅が得られた。このように、実施の形態1によれば、伝搬損の低い活性層用導波路が実現される。この活性層用導波路を半導体レーザに適用することで狭線幅のレーザを実現することができる。 In the conventional structure, the loss of the p-type semiconductor region is 10 cm −1 and the other loss is 5 cm −1 . On the other hand, in Embodiment 1, since the optical confinement of the p-type semiconductor layer 106 is 1% from FIG. 3A, the loss in this region is 0.2 cm −1 . Therefore, the loss of the p-type semiconductor region in the first embodiment is almost negligible as compared with the other loss of 5 cm −1 . The light output efficiency is increased by reducing the light loss, and the line width is greatly reduced when compared with the same light output. A line width of 100 kHz or less was obtained even at an output of 20 mW or less. Thus, according to the first embodiment, an active layer waveguide with low propagation loss is realized. By applying this active layer waveguide to a semiconductor laser, a narrow linewidth laser can be realized.
[実施の形態2]
次に、本発明の実施の形態2について図5を用いて説明する。図5は、本発明の実施の形態2における半導体光素子を示す断面図である。
[Embodiment 2]
Next, Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a sectional view showing a semiconductor optical device according to the second embodiment of the present invention.
この半導体光素子は、まず、基板100の上に形成されたクラッド層101およびコア102よりなる光導波路121を備える。コア102は、クラッド層101に埋め込まれている。また、光導波路121の導波方向に所定距離延在してコア102と光結合可能な状態に配置された活性層103と、活性層103の上に形成された半導体層154とを備える。また、活性層103および半導体層154に接して活性層103および半導体層154を挾んで形成された、n型半導体層105およびp型半導体層106を備える。実施の形態2では、コア102は、基板100と活性層103との間に配置されている。また実施の形態2においても、活性層103には、基板100の平面に平行な方向で電流が注入される。 The semiconductor optical device includes an optical waveguide 121 including a clad layer 101 and a core 102 formed on a substrate 100. The core 102 is embedded in the cladding layer 101. In addition, the active layer 103 is provided with a predetermined distance extending in the waveguide direction of the optical waveguide 121 and arranged to be optically coupled to the core 102, and a semiconductor layer 154 formed on the active layer 103. The n-type semiconductor layer 105 and the p-type semiconductor layer 106 are provided in contact with the active layer 103 and the semiconductor layer 154 so as to sandwich the active layer 103 and the semiconductor layer 154. In the second embodiment, the core 102 is disposed between the substrate 100 and the active layer 103. Also in the second embodiment, current is injected into the active layer 103 in a direction parallel to the plane of the substrate 100.
実施の形態2では、上述した活性層103が、基板100から見て光導波路121の上に配置されていることになる。 In the second embodiment, the above-described active layer 103 is disposed on the optical waveguide 121 when viewed from the substrate 100.
また、n型半導体層105にコンタクト層107により接続するn型電極109と、p型半導体層106にコンタクト層108により接続するp型電極110とを備える。p型半導体層106およびn型半導体層105は、基板100の平面に平行な方向で活性層103を挾んで形成されている。 Further, an n-type electrode 109 connected to the n-type semiconductor layer 105 through the contact layer 107 and a p-type electrode 110 connected to the p-type semiconductor layer 106 through the contact layer 108 are provided. The p-type semiconductor layer 106 and the n-type semiconductor layer 105 are formed with the active layer 103 sandwiched in a direction parallel to the plane of the substrate 100.
また、実施の形態2においても、光導波路121の延在方向に所定の長さの共振器領域において、半導体層154の上面に回折格子パターン(不図示)が形成され、波長1.55μmの分布ブラッグ反射構造が構成されている。また、コンタクト層107とコンタクト層108との間の半導体層154、n型半導体層105、p型半導体層106の上面は、保護膜111により保護されている。実施の形態2における半導体光素子も、共振器領域の両端に、図示しない無反射膜が形成され、分布帰還型レーザを構成している。 Also in the second embodiment, a diffraction grating pattern (not shown) is formed on the upper surface of the semiconductor layer 154 in the resonator region having a predetermined length in the extending direction of the optical waveguide 121, and has a wavelength distribution of 1.55 μm. A Bragg reflection structure is configured. In addition, the upper surfaces of the semiconductor layer 154, the n-type semiconductor layer 105, and the p-type semiconductor layer 106 between the contact layer 107 and the contact layer 108 are protected by a protective film 111. The semiconductor optical device according to the second embodiment also forms a distributed feedback laser by forming a non-reflective film (not shown) at both ends of the resonator region.
基板100およびクラッド層101は、例えば、半絶縁性のInPから構成され、コア102は、InGaAsPから構成されている。また、活性層103は、InGaAsPからなる層厚6nmの井戸層厚および層厚9nmのバリア層厚が8層積層された量子井戸構造とされている。活性層103の発光波長は1.55μmである。 The substrate 100 and the cladding layer 101 are made of, for example, semi-insulating InP, and the core 102 is made of InGaAsP. The active layer 103 has a quantum well structure in which eight layers of a 6 nm thick well layer and a 9 nm thick barrier layer made of InGaAsP are stacked. The emission wavelength of the active layer 103 is 1.55 μm.
また、実施の形態2も、例えば、n型半導体層105は、Siが1×1018cm-3程度ドープされたn−InPから構成され、p型半導体層106は、Znが1×1018cm-3程度ドープされたp−InPから構成されている。ここで、実施の形態2では、半導体層154を、例えば、Znが1×1018cm-3程度ドープされたp−InPから構成している。 Also in the second embodiment, for example, the n-type semiconductor layer 105 is made of n-InP doped with about 1 × 10 18 cm −3 of Si, and the p-type semiconductor layer 106 is made of 1 × 10 18 Zn. It is composed of p-InP doped with about cm −3 . Here, in the second embodiment, the semiconductor layer 154 is made of, for example, p-InP doped with about 1 × 10 18 cm −3 of Zn.
また、コンタクト層107は、Siが1×1019cm-3程度ドープされたn−InGaAsから構成され、コンタクト層108は、Znが1×1019cm-3程度ドープされたp−InGaAsから構成されている。また、保護膜111は、例えば、SiO2から構成されている。 The contact layer 107 is made of n-InGaAs doped with about 1 × 10 19 cm −3 of Si, and the contact layer 108 is made of p-InGaAs doped with about 1 × 10 19 cm −3 of Zn. Has been. Further, the protective film 111 is made of, for example, SiO 2 .
上記構成は、半導体層154以外は、前述した実施の形態1と同様である。実施の形態2では、活性層103の上部に、p型とした半導体層154を配置している。実施の形態1,2の構成では、基板平面方向に活性層103を挾むn型半導体層105およびp型半導体層106による横注入構造としている。この横注入構造ではホールの注入が不均一になる問題がある。この問題に対し実施の形態2では、p型とした半導体層154を用いているので、導波路幅が広くても横方向に均一な電流注入を行うことが可能となる。電界は、ほとんど導波路領域に存在することから、p型とした半導体層154と電界との重なりは少なく、導波路損の増大を気にすることなく、電流注入効率を上げることができる。 The above structure is the same as that of the first embodiment except for the semiconductor layer 154. In the second embodiment, a p-type semiconductor layer 154 is disposed on the active layer 103. In the configuration of the first and second embodiments, the lateral injection structure is formed by the n-type semiconductor layer 105 and the p-type semiconductor layer 106 sandwiching the active layer 103 in the substrate plane direction. In this lateral injection structure, there is a problem that hole injection becomes non-uniform. To solve this problem, the second embodiment uses the p-type semiconductor layer 154, so that uniform current injection can be performed in the lateral direction even when the waveguide width is wide. Since the electric field is mostly present in the waveguide region, there is little overlap between the p-type semiconductor layer 154 and the electric field, and the current injection efficiency can be increased without worrying about an increase in the waveguide loss.
[実施の形態3]
次に、本発明の実施の形態3について図6を用いて説明する。図6は、本発明の実施の形態3における半導体光素子を示す断面図である。
[Embodiment 3]
Next, Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a sectional view showing a semiconductor optical device according to the third embodiment of the present invention.
この半導体光素子は、まず、基板100の上に形成されたクラッド層101およびコア152よりなる光導波路121を備える。実施の形態3では、コア152を層状とし、スラブ導波路構造としている。また、光導波路121の導波方向に所定距離延在してコア152と光結合可能な状態に配置された活性層103と、活性層103の上に形成された半導体層104とを備える。また、活性層103および半導体層104に接して活性層103および半導体層104を挾んで形成された、n型半導体層105およびp型半導体層106を備える。実施の形態3では、コア152は、基板100と活性層103との間に配置されている。また、実施の形態3においても、活性層103には、基板100の平面に平行な方向で電流が注入される。 The semiconductor optical device includes an optical waveguide 121 including a clad layer 101 and a core 152 formed on a substrate 100. In the third embodiment, the core 152 has a layered structure and has a slab waveguide structure. In addition, the active layer 103 includes a semiconductor layer 104 formed on the active layer 103, and an active layer 103 that extends in a waveguide direction of the optical waveguide 121 and is disposed so as to be optically coupled to the core 152. In addition, an n-type semiconductor layer 105 and a p-type semiconductor layer 106 are provided which are in contact with the active layer 103 and the semiconductor layer 104 and sandwich the active layer 103 and the semiconductor layer 104 therebetween. In the third embodiment, the core 152 is disposed between the substrate 100 and the active layer 103. Also in the third embodiment, current is injected into the active layer 103 in a direction parallel to the plane of the substrate 100.
実施の形態3では、上述した活性層103が、基板100から見て光導波路121の上に配置されていることになる。 In the third embodiment, the above-described active layer 103 is disposed on the optical waveguide 121 when viewed from the substrate 100.
また、n型半導体層105にコンタクト層107により接続するn型電極109と、p型半導体層106にコンタクト層108により接続するp型電極110とを備える。p型半導体層106およびn型半導体層105は、基板100の平面に平行な方向で活性層103を挾んで形成されている。 Further, an n-type electrode 109 connected to the n-type semiconductor layer 105 through the contact layer 107 and a p-type electrode 110 connected to the p-type semiconductor layer 106 through the contact layer 108 are provided. The p-type semiconductor layer 106 and the n-type semiconductor layer 105 are formed with the active layer 103 sandwiched in a direction parallel to the plane of the substrate 100.
また、実施の形態3においても、光導波路121の延在方向に所定の長さの共振器領域において、半導体層104の上面に回折格子パターン(不図示)が形成され、波長1.55μmの分布ブラッグ反射構造が構成されている。また、コンタクト層107とコンタクト層108との間の半導体層104、n型半導体層105、p型半導体層106の上面は、保護膜111により保護されている。実施の形態3における半導体光素子も、共振器領域の両端に、図示しない無反射膜が形成され、分布帰還型レーザを構成している。 Also in the third embodiment, a diffraction grating pattern (not shown) is formed on the upper surface of the semiconductor layer 104 in the resonator region having a predetermined length in the extending direction of the optical waveguide 121, and has a wavelength distribution of 1.55 μm. A Bragg reflection structure is configured. The upper surfaces of the semiconductor layer 104, the n-type semiconductor layer 105, and the p-type semiconductor layer 106 between the contact layer 107 and the contact layer 108 are protected by a protective film 111. The semiconductor optical device in the third embodiment also forms a distributed feedback laser by forming a non-reflective film (not shown) at both ends of the resonator region.
基板100およびクラッド層101は、例えば、半絶縁性のInPから構成され、コア152は、InGaAsPから構成されている。また、活性層103は、InGaAsPからなる層厚6nmの井戸層厚および層厚9nmのバリア層厚が8層積層された量子井戸構造とされている。活性層103の発光波長は1.55μmである。 The substrate 100 and the clad layer 101 are made of, for example, semi-insulating InP, and the core 152 is made of InGaAsP. The active layer 103 has a quantum well structure in which eight layers of a 6 nm thick well layer and a 9 nm thick barrier layer made of InGaAsP are stacked. The emission wavelength of the active layer 103 is 1.55 μm.
また、実施の形態3も、例えば、半導体層104は、i−InPから構成され、n型半導体層105は、Siが1×1018cm-3程度ドープされたn−InPから構成され、p型半導体層106は、Znが1×1018cm-3程度ドープされたp−InPから構成されている。 In the third embodiment, for example, the semiconductor layer 104 is made of i-InP, the n-type semiconductor layer 105 is made of n-InP doped with Si of about 1 × 10 18 cm −3 , and p The type semiconductor layer 106 is made of p-InP doped with about 1 × 10 18 cm −3 of Zn.
また、コンタクト層107は、Siが1×1019cm-3程度ドープされたn型のn−InGaAsから構成され、コンタクト層108は、Znが1×1019cm-3程度ドープされたp−InGaAsから構成されている。また、保護膜111は、例えば、SiO2から構成されている。 The contact layer 107 is made of n-type n-InGaAs doped with about 1 × 10 19 cm −3 of Si, and the contact layer 108 is p− doped with about 1 × 10 19 cm −3 of Zn. It is composed of InGaAs. Further, the protective film 111 is made of, for example, SiO 2 .
上記構成は、コア152以外は、前述した実施の形態1と同様である。実施の形態3によれば、コア152は埋め込み構造ではないため、埋め込み工程が不要であり、素子作製が容易となる。 The above configuration is the same as that of the first embodiment except for the core 152. According to the third embodiment, since the core 152 does not have an embedded structure, an embedding process is unnecessary, and device fabrication is facilitated.
[実施の形態4]
次に、本発明の実施の形態4について図7を用いて説明する。図7は、本発明の実施の形態4における半導体光素子を示す断面図である。
[Embodiment 4]
Next, Embodiment 4 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a sectional view showing a semiconductor optical device according to the fourth embodiment of the present invention.
この半導体光素子は、まず、基板100の上に形成されたクラッド層101a,クラッド層112,およびコア102よりなる光導波路121を備える。実施の形態4では、クラッド層101aを下部クラッドとし、クラッド層112を上部クラッドとしている。また、光導波路121の導波方向に所定距離延在してコア102と光結合可能な状態に配置された活性層103と、活性層103の上に形成された半導体層104とを備える。 The semiconductor optical device includes an optical waveguide 121 including a clad layer 101 a, a clad layer 112, and a core 102 formed on a substrate 100. In the fourth embodiment, the clad layer 101a is a lower clad and the clad layer 112 is an upper clad. In addition, the active layer 103 includes a active layer 103 that extends in a waveguide direction of the optical waveguide 121 and is optically coupled to the core 102, and a semiconductor layer 104 that is formed on the active layer 103.
また、活性層103および半導体層104に接して活性層103および半導体層104を挾んで形成された、n型半導体層105およびp型半導体層106を備える。実施の形態4でも、コア102は、基板100と活性層103との間に配置されている。また、実施の形態4において、活性層103には、基板100の平面に平行な方向で電流が注入される。 In addition, an n-type semiconductor layer 105 and a p-type semiconductor layer 106 are provided which are in contact with the active layer 103 and the semiconductor layer 104 and sandwich the active layer 103 and the semiconductor layer 104 therebetween. Also in the fourth embodiment, the core 102 is disposed between the substrate 100 and the active layer 103. In the fourth embodiment, current is injected into the active layer 103 in a direction parallel to the plane of the substrate 100.
実施の形態4では、上述した活性層103が、基板100から見て光導波路121の上に配置されていることになる。 In the fourth embodiment, the above-described active layer 103 is disposed on the optical waveguide 121 when viewed from the substrate 100.
また、n型半導体層105にコンタクト層107により接続するn型電極109と、p型半導体層106にコンタクト層108により接続するp型電極110とを備える。p型半導体層106およびn型半導体層105は、基板100の平面に平行な方向で活性層103を挾んで形成されている。なお、説明の便宜上、基板100およびクラッド層101aを区別して説明するが、これらは一体に形成されている。 Further, an n-type electrode 109 connected to the n-type semiconductor layer 105 through the contact layer 107 and a p-type electrode 110 connected to the p-type semiconductor layer 106 through the contact layer 108 are provided. The p-type semiconductor layer 106 and the n-type semiconductor layer 105 are formed with the active layer 103 sandwiched in a direction parallel to the plane of the substrate 100. For convenience of explanation, the substrate 100 and the clad layer 101a will be described separately, but these are integrally formed.
また、実施の形態4では、光導波路121の延在方向に所定の長さの共振器領域において、半導体層104の上面に回折格子パターン(不図示)が形成され、波長1.55μmの分布ブラッグ反射構造が構成されている。また、コンタクト層107とコンタクト層108との間の半導体層104、n型半導体層105、p型半導体層106の上面は、保護膜111により保護されている。実施の形態4における半導体光素子も、共振器領域の両端に、図示しない無反射膜が形成され、分布帰還型レーザを構成している。 In the fourth embodiment, a diffraction grating pattern (not shown) is formed on the upper surface of the semiconductor layer 104 in the resonator region having a predetermined length in the extending direction of the optical waveguide 121, and a distributed Bragg having a wavelength of 1.55 μm. A reflective structure is constructed. The upper surfaces of the semiconductor layer 104, the n-type semiconductor layer 105, and the p-type semiconductor layer 106 between the contact layer 107 and the contact layer 108 are protected by a protective film 111. The semiconductor optical device according to the fourth embodiment also forms a distributed feedback laser by forming a non-reflective film (not shown) at both ends of the resonator region.
基板100およびクラッド層101aは、例えば、半絶縁性のInPから構成され、コア102は、InGaAsPから構成されている。また、クラッド層112は、アンドープのInPから構成されている。また、活性層103は、InGaAsPからなる層厚6nmの井戸層厚および層厚9nmのバリア層厚が8層積層された量子井戸構造とされている。活性層103の発光波長は1.55μmである。 The substrate 100 and the clad layer 101a are made of, for example, semi-insulating InP, and the core 102 is made of InGaAsP. The cladding layer 112 is made of undoped InP. The active layer 103 has a quantum well structure in which eight layers of a 6 nm thick well layer and a 9 nm thick barrier layer made of InGaAsP are stacked. The emission wavelength of the active layer 103 is 1.55 μm.
また、例えば、半導体層104は、i−InPから構成され、n型半導体層105は、Siが1×1018cm-3程度ドープされたn−InPから構成され、p型半導体層106は、Znが1×1018cm-3程度ドープされたp−InPから構成されている。 Further, for example, the semiconductor layer 104 is made of i-InP, the n-type semiconductor layer 105 is made of n-InP doped with about 1 × 10 18 cm −3 of Si, and the p-type semiconductor layer 106 is It is composed of p-InP doped with about 1 × 10 18 cm −3 of Zn.
また、コンタクト層107は、Siが1×1019cm-3程度ドープされたn型のn−InGaAsから構成され、コンタクト層108は、Znが1×1019cm-3程度ドープされたp−InGaAsから構成されている。また、保護膜111は、例えば、SiO2から構成されている。 The contact layer 107 is made of n-type n-InGaAs doped with about 1 × 10 19 cm −3 of Si, and the contact layer 108 is p− doped with about 1 × 10 19 cm −3 of Zn. It is composed of InGaAs. Further, the protective film 111 is made of, for example, SiO 2 .
各化合物半導体層は、例えば、よく知られた有機金属気相成長法による結晶成長で形成されている。また、各導波路構造および回折格子の形成には、公知のリソグラフィー技術およびウエットエッチング,ドライエッチングによるパターニングが用いられている。また、n型半導体層105およびp型半導体層106は、上述したパターニングなどにより活性層103,半導体層104を形成した後のn−InPおよびp−InPの埋め込み再成長により形成することができる。なお、これらは、アンドープのInPの埋め込み再成長により各部分を形成した後、イオン注入や熱拡散法などによる不純物導入で、各々の不純物導入状態としても良い。 Each compound semiconductor layer is formed, for example, by crystal growth by a well-known metal organic chemical vapor deposition method. In addition, each of the waveguide structures and the diffraction grating is formed by using a known lithography technique and patterning by wet etching or dry etching. The n-type semiconductor layer 105 and the p-type semiconductor layer 106 can be formed by buried regrowth of n-InP and p-InP after forming the active layer 103 and the semiconductor layer 104 by the above-described patterning or the like. In addition, after forming each part by burying regrowth of undoped InP, these impurities may be introduced by introducing impurities by ion implantation or a thermal diffusion method.
実施の形態4では、コア102をアンドープのInPから構成されたクラッド層112で埋め込むようにしたので、半絶縁性InPと比較すると電流の絶縁性は低下するが、半絶縁層InPによるコア102の埋め込み工程が不要であることから、素子作製が容易となる。特に、コア102と活性層103を形成後に一括で活性層形状を形成し、この後でアンドープのInPで埋め込み、アンドープのInPに、Si注入してn型半導体層105を形成し、Zn拡散注入してp型半導体層106を形成すれば、一回の埋め込み成長で作製することも可能である。 In the fourth embodiment, since the core 102 is embedded with the cladding layer 112 made of undoped InP, the current insulation is lower than that of the semi-insulating InP, but the core 102 is made of the semi-insulating layer InP. Since an embedding process is unnecessary, device fabrication is facilitated. In particular, after forming the core 102 and the active layer 103, the active layer shape is formed in a lump, and then embedded with undoped InP, and Si is implanted into undoped InP to form the n-type semiconductor layer 105, and Zn diffusion implantation is performed. Then, if the p-type semiconductor layer 106 is formed, it can be formed by a single buried growth.
[実施の形態5]
次に、本発明の実施の形態5について、図8A,図8Bを用いて説明する。図8Aは、本発明の実施の形態5における半導体光素子を示す断面図である。また、図8Bは、本発明の実施の形態5における半導体光素子を示す斜視図である。
[Embodiment 5]
Next, Embodiment 5 of the present invention will be described with reference to FIGS. 8A and 8B. FIG. 8A is a sectional view showing a semiconductor optical device according to the fifth embodiment of the present invention. FIG. 8B is a perspective view showing the semiconductor optical device in the fifth embodiment of the present invention.
この半導体光素子は、まず、基板201の上に形成されたクラッド層204およびコア202よりなる光導波路221を備える。コア202は、クラッド層204に埋め込まれている。また、光導波路221の導波方向に所定距離延在してコア202と光結合可能な状態に配置された活性層203を備える。また、活性層203およびクラッド層204に接して活性層203およびクラッド層204を挾んで形成された、n型半導体層205およびp型半導体層206を備える。実施の形態5では、コア202は、基板201の側から見て活性層203の上に配置されている。また、実施の形態5において、活性層303には、基板201の平面に平行な方向で電流が注入される。 The semiconductor optical device includes an optical waveguide 221 including a clad layer 204 and a core 202 formed on a substrate 201. The core 202 is embedded in the cladding layer 204. In addition, the active layer 203 is provided so as to extend a predetermined distance in the waveguide direction of the optical waveguide 221 and to be optically coupled to the core 202. Further, an n-type semiconductor layer 205 and a p-type semiconductor layer 206 are provided in contact with the active layer 203 and the clad layer 204 so as to sandwich the active layer 203 and the clad layer 204. In the fifth embodiment, the core 202 is disposed on the active layer 203 when viewed from the substrate 201 side. In the fifth embodiment, current is injected into the active layer 303 in a direction parallel to the plane of the substrate 201.
実施の形態5では、上述した活性層203が、基板201と光導波路221との間に配置されていることになる。 In the fifth embodiment, the active layer 203 described above is disposed between the substrate 201 and the optical waveguide 221.
また、n型半導体層205にコンタクト層207により接続するn型電極209と、p型半導体層206にコンタクト層208により接続するp型電極210とを備える。p型半導体層206およびn型半導体層205は、基板201の平面に平行な方向で活性層203を挾んで形成されている。 Further, an n-type electrode 209 connected to the n-type semiconductor layer 205 through the contact layer 207 and a p-type electrode 210 connected to the p-type semiconductor layer 206 through the contact layer 208 are provided. The p-type semiconductor layer 206 and the n-type semiconductor layer 205 are formed with the active layer 203 sandwiched in a direction parallel to the plane of the substrate 201.
また、実施の形態5では、光導波路221の延在方向に所定の長さの共振器領域231において、クラッド層204の上面に回折格子パターン232が形成され、波長1.55μmの分布ブラッグ反射構造が構成されている。なお、図8Bでは省略しているが、コンタクト層207とコンタクト層208との間のクラッド層204、n型半導体層205、p型半導体層206の上面は、保護膜211により保護されている。実施の形態5における半導体光素子は、共振器領域231の両端に、図示しない無反射膜が形成され、分布帰還型レーザを構成している。 In the fifth embodiment, the diffraction grating pattern 232 is formed on the upper surface of the cladding layer 204 in the resonator region 231 having a predetermined length in the extending direction of the optical waveguide 221, and the distributed Bragg reflection structure having a wavelength of 1.55 μm. Is configured. Although omitted in FIG. 8B, the upper surfaces of the cladding layer 204, the n-type semiconductor layer 205, and the p-type semiconductor layer 206 between the contact layer 207 and the contact layer 208 are protected by a protective film 211. In the semiconductor optical device according to the fifth embodiment, a non-reflective film (not shown) is formed at both ends of the resonator region 231 to constitute a distributed feedback laser.
基板201は、例えば、半絶縁性のInPから構成され、コア202は、InGaAsPから構成されている。また、活性層203は、InGaAsPからなる層厚6nmの井戸層厚および層厚9nmのバリア層厚が8層積層された量子井戸構造とされている。活性層203の発光波長は1.55μmである。 The substrate 201 is made of, for example, semi-insulating InP, and the core 202 is made of InGaAsP. The active layer 203 has a quantum well structure in which eight layers of a well layer made of InGaAsP with a thickness of 6 nm and a barrier layer with a thickness of 9 nm are stacked. The emission wavelength of the active layer 203 is 1.55 μm.
また、例えば、クラッド層204は、半絶縁性のInPから構成され、n型半導体層205は、Siが1×1018cm-3程度ドープされたn−InPから構成され、p型半導体層206は、Znが1×1018cm-3程度ドープされたp−InPから構成されている。 Further, for example, the cladding layer 204 is made of semi-insulating InP, the n-type semiconductor layer 205 is made of n-InP doped with about 1 × 10 18 cm −3 of Si, and the p-type semiconductor layer 206. Is made of p-InP doped with about 1 × 10 18 cm −3 of Zn.
また、コンタクト層207は、Siが1×1019cm-3程度ドープされたn型のn−InGaAsから構成され、コンタクト層208は、Znが1×1019cm-3程度ドープされたp−InGaAsから構成されている。また、保護膜211は、例えば、SiO2から構成されている。 The contact layer 207 is made of n-type n-InGaAs doped with Si by about 1 × 10 19 cm −3 , and the contact layer 208 is p− doped with about 1 × 10 19 cm −3 of Zn. It is composed of InGaAs. The protective film 211 is made of, for example, SiO 2 .
各化合物半導体層は、例えば、よく知られた有機金属気相成長法による結晶成長で形成されている。また、各導波路構造および回折格子の形成には、公知のリソグラフィー技術およびウエットエッチング,ドライエッチングによるパターニングが用いられている。また、n型半導体層205およびp型半導体層206は、上述したパターニングなどにより活性層203,クラッド層204を形成した後のn−InPおよびp−InPの埋め込み再成長により形成することができる。なお、これらは、アンドープのInPの埋め込み再成長により各部分を形成した後、イオン注入や熱拡散法などによる不純物導入で、各々の不純物導入状態としても良い。 Each compound semiconductor layer is formed, for example, by crystal growth by a well-known metal organic chemical vapor deposition method. In addition, each of the waveguide structures and the diffraction grating is formed by using a known lithography technique and patterning by wet etching or dry etching. The n-type semiconductor layer 205 and the p-type semiconductor layer 206 can be formed by buried regrowth of n-InP and p-InP after forming the active layer 203 and the cladding layer 204 by the above-described patterning or the like. In addition, after forming each part by burying regrowth of undoped InP, these impurities may be introduced by introducing impurities by ion implantation or a thermal diffusion method.
次に、実施の形態5における半導体光素子の特性について説明する。まず、電界の分布について説明する。実施の形態5における半導体光素子では、図9A(楕円領域),図9B(電界分布の計算結果)に示すように、コア202を中心として電界が分布する。このように、電界強度の多くは、伝搬損失の低い活性層上部のコア202の領域に存在しており、電界とp型半導体層206との重なりは、非常に小さいものとなる。 Next, the characteristics of the semiconductor optical device in the fifth embodiment will be described. First, the electric field distribution will be described. In the semiconductor optical device in the fifth embodiment, an electric field is distributed around the core 202 as shown in FIGS. 9A (elliptical region) and 9B (calculation result of electric field distribution). Thus, most of the electric field strength exists in the region of the core 202 above the active layer with low propagation loss, and the overlap between the electric field and the p-type semiconductor layer 206 is very small.
次に、活性層203周囲における光閉じ込めの活性層幅依存性について図10A、図10Bを用いて説明する。図10Aは、p型半導体層206における光閉じ込めの活性層幅依存性を示し、図10Bは、活性層203における光閉じ込めの活性層幅依存性を示す。コア202のバンドギャップ波長は1.3μm、または1.4μmとし、コア202の厚さは350nmとした。活性層203とコア202との間隔は100nm、活性層203上部に配置されるクラッド層204の厚さは100nmとした。また、コア202とp型半導体層206との間隔は500nmとした。 Next, the dependence of light confinement around the active layer 203 on the active layer width will be described with reference to FIGS. 10A and 10B. FIG. 10A shows the active layer width dependency of light confinement in the p-type semiconductor layer 206, and FIG. 10B shows the active layer width dependency of light confinement in the active layer 203. The band gap wavelength of the core 202 was 1.3 μm or 1.4 μm, and the thickness of the core 202 was 350 nm. The distance between the active layer 203 and the core 202 was 100 nm, and the thickness of the clad layer 204 disposed on the active layer 203 was 100 nm. The interval between the core 202 and the p-type semiconductor layer 206 was 500 nm.
いずれの構成においても、p型半導体層206における光閉じ込めは1.5%以下であり、pn埋め込み構造と比較して10分の1以下に低減している。活性層203の光閉じ込めは7%以上と、実施の形態1に対して大幅に改善している。このように、実施の形態5においても、p型半導体層206における損失の低減により、高出力、高効率、狭線幅のレーザを実現することができる。 In any configuration, the optical confinement in the p-type semiconductor layer 206 is 1.5% or less, which is reduced to 1/10 or less as compared with the pn buried structure. The optical confinement of the active layer 203 is 7% or more, which is a significant improvement over the first embodiment. As described above, also in the fifth embodiment, by reducing the loss in the p-type semiconductor layer 206, a laser with high output, high efficiency, and narrow line width can be realized.
[実施の形態6]
次に、本発明の実施の形態6について、図11を用いて説明する。図11は、本発明の実施の形態6における半導体光素子を示す断面図である。
[Embodiment 6]
Next, Embodiment 6 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 11 is a sectional view showing a semiconductor optical device according to the sixth embodiment of the present invention.
この半導体光素子は、まず、基板201の上に形成されたクラッド層254およびコア202よりなる光導波路221を備える。コア202は、クラッド層254に埋め込まれている。また、光導波路221の導波方向に所定距離延在してコア202と光結合可能な状態に配置された活性層203を備える。また、活性層203およびクラッド層254に接して活性層203およびクラッド層254を挾んで形成された、n型半導体層205およびp型半導体層206を備える。実施の形態6でも、コア202は、基板201の側から見て活性層203の上に配置されている。また、実施の形態6においても、活性層303には、基板201の平面に平行な方向で電流が注入される。 The semiconductor optical device includes an optical waveguide 221 including a clad layer 254 and a core 202 formed on a substrate 201. The core 202 is embedded in the cladding layer 254. In addition, the active layer 203 is provided so as to extend a predetermined distance in the waveguide direction of the optical waveguide 221 and to be optically coupled to the core 202. In addition, an n-type semiconductor layer 205 and a p-type semiconductor layer 206 are provided in contact with the active layer 203 and the cladding layer 254 so as to sandwich the active layer 203 and the cladding layer 254. Also in the sixth embodiment, the core 202 is disposed on the active layer 203 when viewed from the substrate 201 side. Also in the sixth embodiment, current is injected into the active layer 303 in a direction parallel to the plane of the substrate 201.
ここで、活性層203、n型半導体層205、およびp型半導体層206も光導波路を構成している。実施の形態6におけるこの光導波路は、活性層203がコアとなり、基板201、クラッド層254、n型半導体層205、およびp型半導体層206が、クラッドとなる。実施の形態6では、上述した光導波路が、基板201と光導波路221との間に配置されていることになる。 Here, the active layer 203, the n-type semiconductor layer 205, and the p-type semiconductor layer 206 also constitute an optical waveguide. In this optical waveguide according to the sixth embodiment, the active layer 203 is a core, and the substrate 201, the cladding layer 254, the n-type semiconductor layer 205, and the p-type semiconductor layer 206 are cladding. In the sixth embodiment, the above-described optical waveguide is disposed between the substrate 201 and the optical waveguide 221.
また、n型半導体層205にコンタクト層207により接続するn型電極209と、p型半導体層206にコンタクト層208により接続するp型電極210とを備える。p型半導体層206およびn型半導体層205は、基板201の平面に平行な方向で活性層203を挾んで形成されている。 Further, an n-type electrode 209 connected to the n-type semiconductor layer 205 through the contact layer 207 and a p-type electrode 210 connected to the p-type semiconductor layer 206 through the contact layer 208 are provided. The p-type semiconductor layer 206 and the n-type semiconductor layer 205 are formed with the active layer 203 sandwiched in a direction parallel to the plane of the substrate 201.
また、実施の形態6でも、光導波路221の延在方向に所定の長さの共振器領域において、クラッド層254の上面に回折格子パターン(不図示)が形成され、波長1.55μmの分布ブラッグ反射構造が構成されている。なお、コンタクト層207とコンタクト層208との間のクラッド層254、n型半導体層205、p型半導体層206の上面は、保護膜211により保護されている。実施の形態6における半導体光素子も、共振器領域の両端に、図示しない無反射膜が形成され、分布帰還型レーザを構成している。 Also in the sixth embodiment, a diffraction grating pattern (not shown) is formed on the upper surface of the cladding layer 254 in the resonator region having a predetermined length in the extending direction of the optical waveguide 221, and a distributed Bragg having a wavelength of 1.55 μm. A reflective structure is constructed. Note that the upper surfaces of the cladding layer 254, the n-type semiconductor layer 205, and the p-type semiconductor layer 206 between the contact layer 207 and the contact layer 208 are protected by a protective film 211. The semiconductor optical device according to the sixth embodiment also forms a distributed feedback laser by forming non-reflective films (not shown) at both ends of the resonator region.
基板201は、例えば、半絶縁性のInPから構成され、コア202は、InGaAsPから構成されている。また、活性層203は、InGaAsPからなる層厚6nmの井戸層厚および層厚9nmのバリア層厚が8層積層された量子井戸構造とされている。活性層203の発光波長は1.55μmである。 The substrate 201 is made of, for example, semi-insulating InP, and the core 202 is made of InGaAsP. The active layer 203 has a quantum well structure in which eight layers of a well layer made of InGaAsP with a thickness of 6 nm and a barrier layer with a thickness of 9 nm are stacked. The emission wavelength of the active layer 203 is 1.55 μm.
また、例えば、n型半導体層205は、Siが1×1018cm-3程度ドープされたn−InPから構成され、p型半導体層206は、Znが1×1018cm-3程度ドープされたp−InPから構成されている。ここで、実施の形態6では、前述した実施の形態5とは異なり、クラッド層254は、アンドープのInPから構成している。 For example, the n-type semiconductor layer 205 is made of n-InP doped with Si by about 1 × 10 18 cm −3 , and the p-type semiconductor layer 206 is doped with Zn by about 1 × 10 18 cm −3. P-InP. Here, in the sixth embodiment, unlike the above-described fifth embodiment, the cladding layer 254 is made of undoped InP.
また、コンタクト層207は、Siが1×1019cm-3程度ドープされたn−InGaAsから構成され、コンタクト層208は、Znが1×1019cm-3程度ドープされたp−InGaAsから構成されている。また、保護膜211は、例えば、SiO2から構成されている。 The contact layer 207 is made of n-InGaAs doped with about 1 × 10 19 cm −3 of Si, and the contact layer 208 is made of p-InGaAs doped with about 1 × 10 19 cm −3 of Zn. Has been. The protective film 211 is made of, for example, SiO 2 .
各化合物半導体層は、例えば、よく知られた有機金属気相成長法による結晶成長で形成されている。また、各導波路構造および回折格子の形成には、公知のリソグラフィー技術およびウエットエッチング,ドライエッチングによるパターニングが用いられている。また、n型半導体層205およびp型半導体層206は、上述したパターニングなどにより活性層203,クラッド層254を形成した後のn−InPおよびp−InPの埋め込み再成長により形成することができる。なお、これらは、アンドープのInPの埋め込み再成長により各部分を形成した後、イオン注入や熱拡散法などによる不純物導入で、各々の不純物導入状態としても良い。 Each compound semiconductor layer is formed, for example, by crystal growth by a well-known metal organic chemical vapor deposition method. In addition, each of the waveguide structures and the diffraction grating is formed by using a known lithography technique and patterning by wet etching or dry etching. The n-type semiconductor layer 205 and the p-type semiconductor layer 206 can be formed by buried regrowth of n-InP and p-InP after forming the active layer 203 and the cladding layer 254 by the above-described patterning or the like. In addition, after forming each part by burying regrowth of undoped InP, these impurities may be introduced by introducing impurities by ion implantation or a thermal diffusion method.
上記構成は、クラッド層254以外は、前述した実施の形態5と同様である。実施の形態6では、クラッド層254をアンドープのInPから構成しており、半絶縁性InPと比較すると電流の絶縁性は低下するものの、作製が容易となる。 The above configuration is the same as that of the fifth embodiment described above except for the cladding layer 254. In the sixth embodiment, the clad layer 254 is made of undoped InP, and the current insulation is lower than that of the semi-insulating InP, but the fabrication becomes easy.
[実施の形態7]
次に、本発明の実施の形態7について、図12を用いて説明する。図12は、本発明の実施の形態6における半導体光素子を示す断面図である。
[Embodiment 7]
Next, Embodiment 7 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 12 is a sectional view showing a semiconductor optical device according to the sixth embodiment of the present invention.
この半導体光素子は、まず、基板201の上に形成されたクラッド層204およびコア202よりなる光導波路221を備える。コア202は、クラッド層204に埋め込まれている。また、光導波路221の導波方向に所定距離延在してコア202と光結合可能な状態に配置された活性層203を備える。また、活性層203およびクラッド層204に接して活性層203およびクラッド層204を挾んで形成された、n型半導体層205およびp型半導体層206を備える。実施の形態7でも、コア202は、基板201の側から見て活性層203の上に配置されている。実施の形態7では、コア202と基板201との間に、p型とした半導体層212を設けている。また、実施の形態7においても、活性層303には、基板201の平面に平行な方向で電流が注入される。 The semiconductor optical device includes an optical waveguide 221 including a clad layer 204 and a core 202 formed on a substrate 201. The core 202 is embedded in the cladding layer 204. In addition, the active layer 203 is provided so as to extend a predetermined distance in the waveguide direction of the optical waveguide 221 and to be optically coupled to the core 202. Further, an n-type semiconductor layer 205 and a p-type semiconductor layer 206 are provided in contact with the active layer 203 and the clad layer 204 so as to sandwich the active layer 203 and the clad layer 204. Also in the seventh embodiment, the core 202 is disposed on the active layer 203 when viewed from the substrate 201 side. In Embodiment 7, a p-type semiconductor layer 212 is provided between the core 202 and the substrate 201. Also in the seventh embodiment, current is injected into the active layer 303 in a direction parallel to the plane of the substrate 201.
実施の形態7では、上述した活性層203が、基板201と光導波路221との間に配置されていることになる。 In the seventh embodiment, the active layer 203 described above is disposed between the substrate 201 and the optical waveguide 221.
また、n型半導体層205にコンタクト層207により接続するn型電極209と、p型半導体層206にコンタクト層208により接続するp型電極210とを備える。p型半導体層206およびn型半導体層205は、基板201の平面に平行な方向で活性層203を挾んで形成されている。 Further, an n-type electrode 209 connected to the n-type semiconductor layer 205 through the contact layer 207 and a p-type electrode 210 connected to the p-type semiconductor layer 206 through the contact layer 208 are provided. The p-type semiconductor layer 206 and the n-type semiconductor layer 205 are formed with the active layer 203 sandwiched in a direction parallel to the plane of the substrate 201.
また、実施の形態7でも、光導波路221の延在方向に所定の長さの共振器領域において、クラッド層204の上面に回折格子パターン(不図示)が形成され、波長1.55μmの分布ブラッグ反射構造が構成されている。なお、コンタクト層207とコンタクト層208との間のクラッド層204、n型半導体層205、p型半導体層206の上面は、保護膜211により保護されている。実施の形態7における半導体光素子も、共振器領域の両端に、図示しない無反射膜が形成され、分布帰還型レーザを構成している。 Also in the seventh embodiment, a diffraction grating pattern (not shown) is formed on the upper surface of the cladding layer 204 in the resonator region having a predetermined length in the extending direction of the optical waveguide 221, and a distributed Bragg having a wavelength of 1.55 μm. A reflective structure is constructed. Note that the upper surfaces of the cladding layer 204, the n-type semiconductor layer 205, and the p-type semiconductor layer 206 between the contact layer 207 and the contact layer 208 are protected by a protective film 211. The semiconductor optical device according to the seventh embodiment also forms a distributed feedback laser by forming a non-reflective film (not shown) at both ends of the resonator region.
基板201は、例えば、半絶縁性のInPから構成され、コア202は、InGaAsPから構成されている。また、活性層203は、InGaAsPからなる層厚6nmの井戸層厚および層厚9nmのバリア層厚が8層積層された量子井戸構造とされている。活性層203の発光波長は1.55μmである。 The substrate 201 is made of, for example, semi-insulating InP, and the core 202 is made of InGaAsP. The active layer 203 has a quantum well structure in which eight layers of a well layer made of InGaAsP with a thickness of 6 nm and a barrier layer with a thickness of 9 nm are stacked. The emission wavelength of the active layer 203 is 1.55 μm.
また、例えば、クラッド層204は、半絶縁性のInPから構成され、n型半導体層205は、Siが1×1018cm-3程度ドープされたn−InPから構成され、p型半導体層206は、Znが1×1018cm-3程度ドープされたp−InPから構成されている。ここで、実施の形態7では、半導体層212を、例えば、Znが1×1018cm-3程度ドープされたp−InPから構成している。半導体層212は、層厚100nm程度とすれば良い。 Further, for example, the cladding layer 204 is made of semi-insulating InP, the n-type semiconductor layer 205 is made of n-InP doped with about 1 × 10 18 cm −3 of Si, and the p-type semiconductor layer 206. Is made of p-InP doped with about 1 × 10 18 cm −3 of Zn. Here, in the seventh embodiment, the semiconductor layer 212 is made of, for example, p-InP doped with about 1 × 10 18 cm −3 of Zn. The semiconductor layer 212 may have a thickness of about 100 nm.
また、コンタクト層207は、Siが1×1019cm-3程度ドープされたn−InGaAsから構成され、コンタクト層208は、Znが1×1019cm-3程度ドープされたp−InGaAsから構成されている。また、保護膜211は、例えば、SiO2から構成されている。 The contact layer 207 is made of n-InGaAs doped with about 1 × 10 19 cm −3 of Si, and the contact layer 208 is made of p-InGaAs doped with about 1 × 10 19 cm −3 of Zn. Has been. The protective film 211 is made of, for example, SiO 2 .
各化合物半導体層は、例えば、よく知られた有機金属気相成長法による結晶成長で形成されている。また、各導波路構造および回折格子の形成には、公知のリソグラフィー技術およびウエットエッチング,ドライエッチングによるパターニングが用いられている。また、n型半導体層205およびp型半導体層206は、上述したパターニングなどにより活性層203,クラッド層204を形成した後のn−InPおよびp−InPの埋め込み再成長により形成することができる。なお、これらは、アンドープのInPの埋め込み再成長により各部分を形成した後、イオン注入や熱拡散法などによる不純物導入で、各々の不純物導入状態としても良い。 Each compound semiconductor layer is formed, for example, by crystal growth by a well-known metal organic chemical vapor deposition method. In addition, each of the waveguide structures and the diffraction grating is formed by using a known lithography technique and patterning by wet etching or dry etching. The n-type semiconductor layer 205 and the p-type semiconductor layer 206 can be formed by buried regrowth of n-InP and p-InP after forming the active layer 203 and the cladding layer 204 by the above-described patterning or the like. In addition, after forming each part by burying regrowth of undoped InP, these impurities may be introduced by introducing impurities by ion implantation or a thermal diffusion method.
上記構成は、半導体層212以外は、前述した実施の形態5と同様である。実施の形態7では、p−InPから構成した半導体層212を、活性層203の下に配置している。実施の形態7の構成では、基板平面方向に活性層203を挾むn型半導体層205およびp型半導体層206による横注入構造としている。この横注入構造ではホールの注入が不均一になる問題がある。この問題に対し実施の形態7では、p型とした半導体層212を用いているので、導波路幅が広くても横方向に均一な電流注入を行うことが可能となる。電界は、ほとんど導波路領域に存在することから、p型とした半導体層212と電界との重なりは少なく、導波路損の増大を気にすることなく、電流注入効率を上げることができる。 The above configuration is the same as that of the fifth embodiment described above except for the semiconductor layer 212. In the seventh embodiment, the semiconductor layer 212 made of p-InP is disposed under the active layer 203. In the configuration of the seventh embodiment, a lateral injection structure with an n-type semiconductor layer 205 and a p-type semiconductor layer 206 sandwiching the active layer 203 in the substrate plane direction is employed. In this lateral injection structure, there is a problem that hole injection becomes non-uniform. To solve this problem, the seventh embodiment uses the p-type semiconductor layer 212. Therefore, even when the waveguide width is wide, uniform current injection can be performed in the lateral direction. Since the electric field almost exists in the waveguide region, there is little overlap between the p-type semiconductor layer 212 and the electric field, and the current injection efficiency can be increased without worrying about the increase in the waveguide loss.
[実施の形態8]
次に、本発明の実施の形態8について、図13を用いて説明する。図13は、本発明の実施の形態8における半導体光素子を示す断面図である。
[Embodiment 8]
Next, an eighth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 13 is a sectional view showing a semiconductor optical device according to the eighth embodiment of the present invention.
この半導体光素子は、まず、基板301の上に形成されたクラッド層304およびコア302よりなる光導波路321を備える。コア302は、クラッド層304に埋め込まれている。また、光導波路321の導波方向に所定距離延在してコア302と光結合可能な状態に配置された活性層303を備える。実施の形態8では、活性層303を層状とし、スラブ構造としている。 This semiconductor optical device first includes an optical waveguide 321 composed of a clad layer 304 and a core 302 formed on a substrate 301. The core 302 is embedded in the cladding layer 304. In addition, the active layer 303 is provided so as to extend a predetermined distance in the waveguide direction of the optical waveguide 321 and to be optically coupled to the core 302. In the eighth embodiment, the active layer 303 is layered to have a slab structure.
また、活性層303およびクラッド層304に接して形成されたn型半導体層305およびp型半導体層306を備える。実施の形態8では、コア302は、基板301の側から見て活性層303の上に配置されている。また、実施の形態8において、活性層303には、基板301の平面に平行な方向で電流が注入される。 In addition, an n-type semiconductor layer 305 and a p-type semiconductor layer 306 formed in contact with the active layer 303 and the cladding layer 304 are provided. In the eighth embodiment, the core 302 is disposed on the active layer 303 when viewed from the substrate 301 side. In the eighth embodiment, current is injected into the active layer 303 in a direction parallel to the plane of the substrate 301.
実施の形態8では、上述したスラブ構造の活性層303が、基板301と光導波路321との間に配置されていることになる。 In the eighth embodiment, the above-described active layer 303 having the slab structure is disposed between the substrate 301 and the optical waveguide 321.
また、n型半導体層305にコンタクト層307により接続するn型電極309と、p型半導体層306にコンタクト層308により接続するp型電極310とを備える。実施の形態8において、p型半導体層306およびn型半導体層305は、基板301の側から見て、層状の活性層303の上に形成されている。また、p型半導体層306およびn型半導体層305は、光導波路321を挾んで形成されている。 Further, an n-type electrode 309 connected to the n-type semiconductor layer 305 through a contact layer 307 and a p-type electrode 310 connected to the p-type semiconductor layer 306 through a contact layer 308 are provided. In the eighth embodiment, the p-type semiconductor layer 306 and the n-type semiconductor layer 305 are formed on the layered active layer 303 when viewed from the substrate 301 side. The p-type semiconductor layer 306 and the n-type semiconductor layer 305 are formed with the optical waveguide 321 interposed therebetween.
また、実施の形態8においても、光導波路321の延在方向に所定の長さの共振器領域において、クラッド層304の上面に回折格子パターン(不図示)が形成され、波長1.55μmの分布ブラッグ反射構造が構成されている。なお、コンタクト層307とコンタクト層308との間のクラッド層304、n型半導体層305、p型半導体層306の上面は、保護膜211により保護されている。実施の形態8における半導体光素子は、共振器領域の両端に、図示しない無反射膜が形成され、分布帰還型レーザを構成している。 Also in the eighth embodiment, a diffraction grating pattern (not shown) is formed on the upper surface of the cladding layer 304 in the resonator region having a predetermined length in the extending direction of the optical waveguide 321, and has a wavelength distribution of 1.55 μm. A Bragg reflection structure is configured. Note that the upper surfaces of the cladding layer 304, the n-type semiconductor layer 305, and the p-type semiconductor layer 306 between the contact layer 307 and the contact layer 308 are protected by a protective film 211. In the semiconductor optical device according to the eighth embodiment, a non-reflective film (not shown) is formed at both ends of the resonator region to constitute a distributed feedback laser.
基板301は、例えば、半絶縁性のInPから構成され、コア302は、InGaAsPから構成されている。また、活性層303は、InGaAsPからなる層厚6nmの井戸層厚および層厚9nmのバリア層厚が8層積層された量子井戸構造とされている。活性層303の発光波長は1.55μmである。 The substrate 301 is made of, for example, semi-insulating InP, and the core 302 is made of InGaAsP. The active layer 303 has a quantum well structure in which eight layers of a well layer made of InGaAsP with a thickness of 6 nm and a barrier thickness of 9 nm are stacked. The emission wavelength of the active layer 303 is 1.55 μm.
また、例えば、クラッド層304は、半絶縁性のInPから構成され、n型半導体層305は、Siが1×1018cm-3程度ドープされたn−InPから構成され、p型半導体層306は、Znが1×1018cm-3程度ドープされたp−InPから構成されている。 Further, for example, the cladding layer 304 is made of semi-insulating InP, the n-type semiconductor layer 305 is made of n-InP doped with about 1 × 10 18 cm −3 of Si, and the p-type semiconductor layer 306. Is made of p-InP doped with about 1 × 10 18 cm −3 of Zn.
また、コンタクト層307は、Siが1×1019cm-3程度ドープされたn−InGaAsから構成され、コンタクト層308は、Znが1×1019cm-3程度ドープされたp−InGaAsから構成されている。また、保護膜211は、例えば、SiO2から構成されている。 The contact layer 307 is made of n-InGaAs doped with about 1 × 10 19 cm −3 of Si, and the contact layer 308 is made of p-InGaAs doped with about 1 × 10 19 cm −3 of Zn. Has been. The protective film 211 is made of, for example, SiO 2 .
各化合物半導体層は、例えば、よく知られた有機金属気相成長法による結晶成長で形成されている。また、各導波路構造および回折格子の形成には、公知のリソグラフィー技術およびウエットエッチング,ドライエッチングによるパターニングが用いられている。また、n型半導体層305およびp型半導体層306は、上述したパターニングなどにより活性層303,クラッド層304を形成した後のn−InPおよびp−InPの埋め込み再成長により形成することができる。なお、これらは、アンドープのInPの埋め込み再成長により各部分を形成した後、イオン注入や熱拡散法などによる不純物導入で、各々の不純物導入状態としても良い。 Each compound semiconductor layer is formed, for example, by crystal growth by a well-known metal organic chemical vapor deposition method. In addition, each of the waveguide structures and the diffraction grating is formed by using a known lithography technique and patterning by wet etching or dry etching. The n-type semiconductor layer 305 and the p-type semiconductor layer 306 can be formed by buried regrowth of n-InP and p-InP after forming the active layer 303 and the clad layer 304 by the above-described patterning or the like. In addition, after forming each part by burying regrowth of undoped InP, these impurities may be introduced by introducing impurities by ion implantation or a thermal diffusion method.
次に、活性層303周囲における光閉じ込めの活性層幅依存性について図14A、図14Bを用いて説明する。図14Aは、p型半導体層206における光閉じ込めの活性層幅依存性を示し、図14Bは、活性層303における光閉じ込めの活性層幅依存性を示す。コア302のバンドギャップ波長は1.3μm、または1.4μmとし、コア302の厚さは350nmとした。活性層303とコア302との間隔は100nm、活性層303上部に配置されるクラッド層204の厚さは100nmとした。また、コア302とp型半導体層206との間隔は500nmとした。 Next, the dependence of the light confinement around the active layer 303 on the active layer width will be described with reference to FIGS. 14A and 14B. 14A shows the active layer width dependency of optical confinement in the p-type semiconductor layer 206, and FIG. 14B shows the active layer width dependency of optical confinement in the active layer 303. The band gap wavelength of the core 302 was 1.3 μm or 1.4 μm, and the thickness of the core 302 was 350 nm. The distance between the active layer 303 and the core 302 was 100 nm, and the thickness of the clad layer 204 disposed on the active layer 303 was 100 nm. The interval between the core 302 and the p-type semiconductor layer 206 was 500 nm.
実施の形態5に比較してわずかにp型半導体層306における損失の増大が見られるが、それでもp型半導体層306の光閉じ込めは、pn埋め込みの1/10以下であり、活性層303の光閉じ込めを増大できる効果がある。 Although the loss in the p-type semiconductor layer 306 is slightly increased as compared with the fifth embodiment, the optical confinement in the p-type semiconductor layer 306 is still 1/10 or less of the pn filling, and the light in the active layer 303 is light. There is an effect of increasing confinement.
[実施の形態9]
次に、本発明の実施の形態9について、図15を用いて説明する。図15は、本発明の実施の形態9における半導体光素子を示す断面図である。
[Embodiment 9]
Next, Embodiment 9 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 15 is a sectional view showing a semiconductor optical device according to the ninth embodiment of the present invention.
この半導体光素子は、まず、基板301の上に形成されたクラッド層354およびコア302よりなる光導波路321を備える。コア302は、クラッド層354に埋め込まれている。また、光導波路321の導波方向に所定距離延在してコア302と光結合可能な状態に配置された活性層303を備える。実施の形態9でも、活性層303を層状とし、スラブ導波路構造としている。 This semiconductor optical device first includes an optical waveguide 321 composed of a clad layer 354 and a core 302 formed on a substrate 301. The core 302 is embedded in the cladding layer 354. In addition, the active layer 303 is provided so as to extend a predetermined distance in the waveguide direction of the optical waveguide 321 and to be optically coupled to the core 302. Also in the ninth embodiment, the active layer 303 is formed in a layer shape to form a slab waveguide structure.
また、活性層303およびクラッド層354に接して形成されたn型半導体層305およびp型半導体層306を備える。実施の形態9では、コア302は、基板301の側から見て活性層303の上に配置されている。また、実施の形態9において、活性層303には、基板301の平面に平行な方向で電流が注入される。 In addition, an n-type semiconductor layer 305 and a p-type semiconductor layer 306 formed in contact with the active layer 303 and the cladding layer 354 are provided. In the ninth embodiment, the core 302 is disposed on the active layer 303 when viewed from the substrate 301 side. In the ninth embodiment, current is injected into the active layer 303 in a direction parallel to the plane of the substrate 301.
ここで、活性層303、n型半導体層305、およびp型半導体層306は、上述したようにスラブ光導波路を構成している。実施の形態9におけるこのスラブ光導波路は、層状に形成した活性層303がコアとなり、基板301、クラッド層354、n型半導体層305、およびp型半導体層306が、クラッドとなる。実施の形態9では、上述したスラブ光導波路が、基板301と光導波路321との間に配置されていることになる。 Here, the active layer 303, the n-type semiconductor layer 305, and the p-type semiconductor layer 306 constitute a slab optical waveguide as described above. In the slab optical waveguide according to the ninth embodiment, the active layer 303 formed in a layer shape serves as a core, and the substrate 301, the clad layer 354, the n-type semiconductor layer 305, and the p-type semiconductor layer 306 serve as a clad. In the ninth embodiment, the above-described slab optical waveguide is disposed between the substrate 301 and the optical waveguide 321.
また、n型半導体層305にコンタクト層307により接続するn型電極309と、p型半導体層306にコンタクト層308により接続するp型電極310とを備える。実施の形態9において、p型半導体層306およびn型半導体層305は、基板301の側から見て、層状の活性層303の上に形成されている。また、p型半導体層306およびn型半導体層305は、光導波路321を挾んで形成されている。 Further, an n-type electrode 309 connected to the n-type semiconductor layer 305 through a contact layer 307 and a p-type electrode 310 connected to the p-type semiconductor layer 306 through a contact layer 308 are provided. In Embodiment 9, the p-type semiconductor layer 306 and the n-type semiconductor layer 305 are formed on the layered active layer 303 when viewed from the substrate 301 side. The p-type semiconductor layer 306 and the n-type semiconductor layer 305 are formed with the optical waveguide 321 interposed therebetween.
また、実施の形態9においても、光導波路321の延在方向に所定の長さの共振器領域において、クラッド層354の上面に回折格子パターン(不図示)が形成され、波長1.55μmの分布ブラッグ反射構造が構成されている。なお、コンタクト層307とコンタクト層308との間のクラッド層354、n型半導体層305、p型半導体層306の上面は、保護膜211により保護されている。実施の形態9における半導体光素子は、共振器領域の両端に、図示しない無反射膜が形成され、分布帰還型レーザを構成している。 Also in the ninth embodiment, a diffraction grating pattern (not shown) is formed on the upper surface of the cladding layer 354 in the resonator region having a predetermined length in the extending direction of the optical waveguide 321, and the distribution is 1.55 μm in wavelength. A Bragg reflection structure is configured. Note that the upper surfaces of the cladding layer 354, the n-type semiconductor layer 305, and the p-type semiconductor layer 306 between the contact layer 307 and the contact layer 308 are protected by a protective film 211. In the semiconductor optical device according to the ninth embodiment, a non-reflective film (not shown) is formed at both ends of the resonator region to constitute a distributed feedback laser.
基板301は、例えば、半絶縁性のInPから構成され、コア302は、InGaAsPから構成されている。また、活性層303は、InGaAsPからなる層厚6nmの井戸層厚および層厚9nmのバリア層厚が8層積層された量子井戸構造とされている。活性層303の発光波長は1.55μmである。 The substrate 301 is made of, for example, semi-insulating InP, and the core 302 is made of InGaAsP. The active layer 303 has a quantum well structure in which eight layers of a well layer made of InGaAsP with a thickness of 6 nm and a barrier thickness of 9 nm are stacked. The emission wavelength of the active layer 303 is 1.55 μm.
また、実施の形態9では、クラッド層354を、例えば、アンドープのInPから構成し、n型半導体層305は、Siが1×1018cm-3程度ドープされたn−InPから構成し、p型半導体層306は、Znが1×1018cm-3程度ドープされたp−InPから構成している。 In the ninth embodiment, the cladding layer 354 is made of, for example, undoped InP, and the n-type semiconductor layer 305 is made of n-InP doped with about 1 × 10 18 cm −3 of Si, and p The type semiconductor layer 306 is made of p-InP doped with about 1 × 10 18 cm −3 of Zn.
また、コンタクト層307は、Siが1×1019cm-3程度ドープされたn−InGaAsから構成され、コンタクト層308は、Znが1×1019cm-3程度ドープされたp−InGaAsから構成されている。また、保護膜211は、例えば、SiO2から構成されている。 The contact layer 307 is made of n-InGaAs doped with about 1 × 10 19 cm −3 of Si, and the contact layer 308 is made of p-InGaAs doped with about 1 × 10 19 cm −3 of Zn. Has been. The protective film 211 is made of, for example, SiO 2 .
各化合物半導体層は、例えば、よく知られた有機金属気相成長法による結晶成長で形成されている。また、各導波路構造および回折格子の形成には、公知のリソグラフィー技術およびウエットエッチング,ドライエッチングによるパターニングが用いられている。また、n型半導体層305およびp型半導体層306は、上述したパターニングなどにより活性層303,クラッド層354を形成した後のn−InPおよびp−InPの埋め込み再成長により形成することができる。なお、これらは、アンドープのInPの埋め込み再成長により各部分を形成した後、イオン注入や熱拡散法などによる不純物導入で、各々の不純物導入状態としても良い。 Each compound semiconductor layer is formed, for example, by crystal growth by a well-known metal organic chemical vapor deposition method. In addition, each of the waveguide structures and the diffraction grating is formed by using a known lithography technique and patterning by wet etching or dry etching. The n-type semiconductor layer 305 and the p-type semiconductor layer 306 can be formed by buried regrowth of n-InP and p-InP after forming the active layer 303 and the cladding layer 354 by the above-described patterning or the like. In addition, after forming each part by burying regrowth of undoped InP, these impurities may be introduced by introducing impurities by ion implantation or a thermal diffusion method.
実施の形態9では、アンドープのInPからクラッド層354を構成しており、他の構成は、前述した実施の形態8と同様である。半絶縁性InPより構成する場合と比較すると、電流の絶縁性は低下するが、作製が容易となる。 In the ninth embodiment, the cladding layer 354 is made of undoped InP, and the other structure is the same as that of the eighth embodiment described above. Compared with the case of being composed of semi-insulating InP, the current insulation is reduced, but the fabrication becomes easy.
[実施の形態10]
次に、本発明の実施の形態10について、図16を用いて説明する。図16は、本発明の実施の形態10における半導体光素子を示す断面図である。
[Embodiment 10]
Next, Embodiment 10 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 16 is a sectional view showing a semiconductor optical device according to the tenth embodiment of the present invention.
この半導体光素子は、まず、基板401の上に形成された半導体層404a、活性層403、半導体層404b、コア402、半導体層404cを備える。ここで、半導体層404bを下部クラッドとし、半導体層404cを上部クラッドとし、これらにコア402が挾まれて光導波路421を構成している。 The semiconductor optical device includes a semiconductor layer 404a, an active layer 403, a semiconductor layer 404b, a core 402, and a semiconductor layer 404c formed on a substrate 401. Here, the semiconductor layer 404b is a lower clad, the semiconductor layer 404c is an upper clad, and a core 402 is sandwiched between them to constitute an optical waveguide 421.
実施の形態10では、上述した活性層403が、基板401と光導波路421との間に配置されていることになる。なお、活性層403は、光導波路421の導波方向に所定距離延在して、コア402と光結合可能な状態に配置されている。実施の形態10は、コア402は、基板401の側から見て活性層403の上に配置されている。 In the tenth embodiment, the active layer 403 described above is disposed between the substrate 401 and the optical waveguide 421. The active layer 403 extends for a predetermined distance in the waveguide direction of the optical waveguide 421 and is disposed in a state where it can be optically coupled to the core 402. In the tenth embodiment, the core 402 is disposed on the active layer 403 when viewed from the substrate 401 side.
また、活性層403に接して活性層403を挾んで形成された、n型半導体層405およびp型半導体層406を備える。実施の形態10において、n型半導体層405およびp型半導体層406は、活性層403をコアとする光導波路を挾んで形成されている。n型半導体層405およびp型半導体層406は、コア402および半導体層404cの両脇には形成されていない。 In addition, an n-type semiconductor layer 405 and a p-type semiconductor layer 406 are provided which are in contact with the active layer 403 and sandwich the active layer 403 therebetween. In the tenth embodiment, the n-type semiconductor layer 405 and the p-type semiconductor layer 406 are formed with an optical waveguide having the active layer 403 as a core therebetween. The n-type semiconductor layer 405 and the p-type semiconductor layer 406 are not formed on both sides of the core 402 and the semiconductor layer 404c.
また、n型半導体層405にコンタクト層407により接続するn型電極409と、p型半導体層406にコンタクト層408により接続するp型電極410とを備える。p型半導体層406およびn型半導体層405は、基板401の平面に平行な方向で活性層403を挾んで形成されている。実施の形態10において、活性層403には、基板401の平面に平行な方向で電流が注入される。また、上述したように、n型半導体層405およびp型半導体層406は、コア402の両脇には形成されていないので、コア402に対しては、電流が注入されることが抑制されるようになる。このため、電流の漏れを気にする必要がない。 Further, an n-type electrode 409 connected to the n-type semiconductor layer 405 by a contact layer 407 and a p-type electrode 410 connected to the p-type semiconductor layer 406 by a contact layer 408 are provided. The p-type semiconductor layer 406 and the n-type semiconductor layer 405 are formed with the active layer 403 sandwiched in a direction parallel to the plane of the substrate 401. In the tenth embodiment, current is injected into the active layer 403 in a direction parallel to the plane of the substrate 401. Further, as described above, since the n-type semiconductor layer 405 and the p-type semiconductor layer 406 are not formed on both sides of the core 402, current injection into the core 402 is suppressed. It becomes like this. For this reason, there is no need to worry about current leakage.
また、実施の形態10では、光導波路421の延在方向に所定の長さの共振器領域において、半導体層404cの上面に回折格子パターン(不図示)が形成され、波長1.55μmの分布ブラッグ反射構造が構成されている。なお、半導体層404cの上面は、保護膜411により保護されている。実施の形態10における半導体光素子も、共振器領域の両端に、図示しない無反射膜が形成され、分布帰還型レーザを構成している。 In the tenth embodiment, a diffraction grating pattern (not shown) is formed on the upper surface of the semiconductor layer 404c in the resonator region having a predetermined length in the extending direction of the optical waveguide 421, and a distributed Bragg having a wavelength of 1.55 μm. A reflective structure is constructed. Note that the upper surface of the semiconductor layer 404 c is protected by a protective film 411. The semiconductor optical device according to the tenth embodiment also forms a distributed feedback laser by forming a non-reflective film (not shown) at both ends of the resonator region.
基板401は、例えば、半絶縁性のInPから構成され、コア402は、InGaAsPから構成されている。また、活性層403は、InGaAsPからなる層厚6nmの井戸層厚および層厚9nmのバリア層厚が8層積層された量子井戸構造とされている。 The substrate 401 is made of, for example, semi-insulating InP, and the core 402 is made of InGaAsP. The active layer 403 has a quantum well structure in which eight layers of a 6 nm thick well layer and a 9 nm thick barrier layer made of InGaAsP are stacked.
また、例えば、半導体層404a,半導体層404b,半導体層404cは、アンドープのInPから構成され、n型半導体層405は、Siが1×1018cm-3程度ドープされたn−InPから構成され、p型半導体層406は、Znが1×1018cm-3程度ドープされたp−InPから構成されている。 Further, for example, the semiconductor layer 404a, the semiconductor layer 404b, and the semiconductor layer 404c are made of undoped InP, and the n-type semiconductor layer 405 is made of n-InP doped with about 1 × 10 18 cm −3 of Si. The p-type semiconductor layer 406 is made of p-InP doped with about 1 × 10 18 cm −3 of Zn.
また、コンタクト層407は、Siが1×1019cm-3程度ドープされたn−InGaAsから構成され、コンタクト層408は、Znが1×1019cm-3程度ドープされたp−InGaAsから構成されている。また、保護膜411は、例えば、SiO2から構成されている。 The contact layer 407 is made of n-InGaAs doped with about 1 × 10 19 cm −3 of Si, and the contact layer 408 is made of p-InGaAs doped with about 1 × 10 19 cm −3 of Zn. Has been. Further, the protective film 411 is made of, for example, SiO 2 .
各化合物半導体層は、例えば、よく知られた有機金属気相成長法による結晶成長で形成されている。また、各導波路構造および回折格子の形成には、公知のリソグラフィー技術およびウエットエッチング,ドライエッチングによるパターニングが用いられている。また、n型半導体層405およびp型半導体層406は、上述したパターニングなどにより、半導体層404a,活性層403,半導体層404b,コア402,半導体層404cを形成した後のn−InPおよびp−InPの埋め込み再成長により形成することができる。なお、これらは、アンドープのInPの埋め込み再成長により各部分を形成した後、イオン注入や熱拡散法などによる不純物導入で、各々の不純物導入状態としても良い。 Each compound semiconductor layer is formed, for example, by crystal growth by a well-known metal organic chemical vapor deposition method. In addition, each of the waveguide structures and the diffraction grating is formed by using a known lithography technique and patterning by wet etching or dry etching. The n-type semiconductor layer 405 and the p-type semiconductor layer 406 are formed by the n-InP and p- after the semiconductor layer 404a, the active layer 403, the semiconductor layer 404b, the core 402, and the semiconductor layer 404c are formed by the above-described patterning or the like. It can be formed by buried regrowth of InP. In addition, after forming each part by burying regrowth of undoped InP, these impurities may be introduced by introducing impurities by ion implantation or a thermal diffusion method.
[実施の形態11]
次に、本発明の実施の形態11について、図17を用いて説明する。図17は、本発明の実施の形態11における半導体光素子を示す断面図である。
[Embodiment 11]
Next, an eleventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 17 is a sectional view showing a semiconductor optical device according to the eleventh embodiment of the present invention.
この半導体光素子は、まず、基板401の上に形成された半導体層404a、活性層403、半導体層404b、コア412を備える。ここで、実施の形態11では、コア412がアモルファスシリコンから構成され、この周囲をクラッドとして光導波路421aを構成している。 The semiconductor optical device includes a semiconductor layer 404a, an active layer 403, a semiconductor layer 404b, and a core 412 formed on a substrate 401. Here, in the eleventh embodiment, the core 412 is made of amorphous silicon, and the optical waveguide 421a is formed with the periphery as a clad.
また、実施の形態11においても、コア412は、基板401の側から見て活性層403の上に配置されている。 Also in the eleventh embodiment, the core 412 is disposed on the active layer 403 when viewed from the substrate 401 side.
また、活性層403に接して活性層403を挾んで形成された、n型半導体層405およびp型半導体層406を備える。実施の形態11において、n型半導体層405およびp型半導体層406は、活性層403をコアとする光導波路を挾んで形成されている。n型半導体層405およびp型半導体層406は、コア412の両脇には形成されていない。 In addition, an n-type semiconductor layer 405 and a p-type semiconductor layer 406 are provided which are in contact with the active layer 403 and sandwich the active layer 403 therebetween. In the eleventh embodiment, the n-type semiconductor layer 405 and the p-type semiconductor layer 406 are formed with an optical waveguide having the active layer 403 as a core therebetween. The n-type semiconductor layer 405 and the p-type semiconductor layer 406 are not formed on both sides of the core 412.
また、n型半導体層405にコンタクト層407により接続するn型電極409と、p型半導体層406にコンタクト層408により接続するp型電極410とを備える。p型半導体層406およびn型半導体層405は、基板401の平面に平行な方向で活性層403を挾んで形成されている。実施の形態11において、活性層403には、基板401の平面に平行な方向で電流が注入される。 Further, an n-type electrode 409 connected to the n-type semiconductor layer 405 by a contact layer 407 and a p-type electrode 410 connected to the p-type semiconductor layer 406 by a contact layer 408 are provided. The p-type semiconductor layer 406 and the n-type semiconductor layer 405 are formed with the active layer 403 sandwiched in a direction parallel to the plane of the substrate 401. In Embodiment Mode 11, current is injected into the active layer 403 in a direction parallel to the plane of the substrate 401.
また、上述したように、n型半導体層405およびp型半導体層406は、コア412の両脇には形成されていないので、コア412に対しては、電流が注入されることが抑制されるようになる。このため、電流の漏れを気にする必要がない。また、結晶成長を用いることなく、スパッタやCVDといった手法で、コア412が形成できるため、簡易に導波路を形成することが可能である。 Further, as described above, the n-type semiconductor layer 405 and the p-type semiconductor layer 406 are not formed on both sides of the core 412, so that current is suppressed from being injected into the core 412. It becomes like this. For this reason, there is no need to worry about current leakage. In addition, since the core 412 can be formed by a technique such as sputtering or CVD without using crystal growth, a waveguide can be easily formed.
また、実施の形態11では、光導波路421aの延在方向に所定の長さの共振器領域において、半導体層404bの上面に回折格子パターン(不図示)が形成され、波長1.55μmの分布ブラッグ反射構造が構成されている。この構成においては、半導体層404bの上面は、コア412により保護されている。実施の形態11における半導体光素子も、共振器領域の両端に、無反射膜を形成することで、分布帰還型レーザとすることができる。なお、回折格子は、コア412に形成しても良い。 In the eleventh embodiment, a diffraction grating pattern (not shown) is formed on the upper surface of the semiconductor layer 404b in the resonator region having a predetermined length in the extending direction of the optical waveguide 421a, and a distributed Bragg having a wavelength of 1.55 μm. A reflective structure is constructed. In this configuration, the upper surface of the semiconductor layer 404 b is protected by the core 412. The semiconductor optical device in the eleventh embodiment can also be a distributed feedback laser by forming a non-reflective film at both ends of the resonator region. Note that the diffraction grating may be formed in the core 412.
基板401は、例えば、半絶縁性のInPから構成され、コア412は、InGaAsPから構成されている。また、活性層403は、InGaAsPからなる層厚6nmの井戸層厚および層厚9nmのバリア層厚が8層積層された量子井戸構造とされている。 The substrate 401 is made of, for example, semi-insulating InP, and the core 412 is made of InGaAsP. The active layer 403 has a quantum well structure in which eight layers of a 6 nm thick well layer and a 9 nm thick barrier layer made of InGaAsP are stacked.
また、例えば、半導体層404a,半導体層404bは、アンドープのInPから構成され、n型半導体層405は、Siが1×1018cm-3程度ドープされたn−InPから構成され、p型半導体層406は、Znが1×1018cm-3程度ドープされたp−InPから構成されている。 Further, for example, the semiconductor layer 404a and the semiconductor layer 404b are made of undoped InP, and the n-type semiconductor layer 405 is made of n-InP doped with about 1 × 10 18 cm −3 of Si, and is a p-type semiconductor. The layer 406 is made of p-InP doped with about 1 × 10 18 cm −3 of Zn.
また、コンタクト層407は、Siが1×1019cm-3程度ドープされたn−InGaAsから構成され、コンタクト層408は、Znが1×1019cm-3程度ドープされたp−InGaAsから構成されている。また、保護膜411は、例えば、SiO2から構成されている。 The contact layer 407 is made of n-InGaAs doped with about 1 × 10 19 cm −3 of Si, and the contact layer 408 is made of p-InGaAs doped with about 1 × 10 19 cm −3 of Zn. Has been. Further, the protective film 411 is made of, for example, SiO 2 .
各化合物半導体層は、例えば、よく知られた有機金属気相成長法による結晶成長で形成されている。また、各導波路構造および回折格子の形成には、公知のリソグラフィー技術およびウエットエッチング,ドライエッチングによるパターニングが用いられている。また、n型半導体層405およびp型半導体層406は、上述したパターニングなどにより、半導体層404a,活性層403,半導体層404b,コア412を形成した後のn−InPおよびp−InPの埋め込み再成長により形成することができる。なお、これらは、アンドープのInPの埋め込み再成長により各部分を形成した後、イオン注入や熱拡散法などによる不純物導入で、各々の不純物導入状態としても良い。 Each compound semiconductor layer is formed, for example, by crystal growth by a well-known metal organic chemical vapor deposition method. In addition, each of the waveguide structures and the diffraction grating is formed by using a known lithography technique and patterning by wet etching or dry etching. In addition, the n-type semiconductor layer 405 and the p-type semiconductor layer 406 are embedded in the n-InP and p-InP after the semiconductor layer 404a, the active layer 403, the semiconductor layer 404b, and the core 412 are formed by the above-described patterning or the like. It can be formed by growth. In addition, after forming each part by burying regrowth of undoped InP, these impurities may be introduced by introducing impurities by ion implantation or a thermal diffusion method.
[実施の形態12]
次に、本発明の実施の形態12について、図18を用いて説明する。図18は、本発明の実施の形態12における半導体光素子を示す断面図である。以下では、活性層に対し、基板の平面に垂直な方向で電流が注入される場合について説明する。
[Embodiment 12]
Next, Embodiment 12 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 18 is a sectional view showing a semiconductor optical device according to the twelfth embodiment of the present invention. Hereinafter, a case where current is injected into the active layer in a direction perpendicular to the plane of the substrate will be described.
この半導体光素子は、まず、クラッド層501およびコア522よりなる光導波路521を備える。コア522は、クラッド層501に埋め込まれている。なお、図示していないが、クラッド層501は、基板の上に形成されている。また、光導波路521の導波方向に所定距離延在してコア522と光結合可能な状態に配置された活性層503を備える。ここで、コア503は、n型半導体層502の上に形成され、コア503の上には、p型半導体層508が形成されている。 This semiconductor optical device first includes an optical waveguide 521 including a cladding layer 501 and a core 522. The core 522 is embedded in the cladding layer 501. Although not shown, the cladding layer 501 is formed on the substrate. In addition, the active layer 503 is provided so as to extend a predetermined distance in the waveguide direction of the optical waveguide 521 and to be optically coupled to the core 522. Here, the core 503 is formed on the n-type semiconductor layer 502, and the p-type semiconductor layer 508 is formed on the core 503.
また、一部のn型半導体層502およびコア503は、メサ形状に形成され、この両脇が、p型埋め込み半導体層504,505に埋め込まれている。また、p型埋め込み半導体層504,505の上には、n型電流阻止層506,507が形成されている。p型半導体層508は、コア503の上から、n型電流阻止層506,507の上にかけて形成されている。 Further, a part of the n-type semiconductor layer 502 and the core 503 are formed in a mesa shape, and both sides thereof are embedded in the p-type embedded semiconductor layers 504 and 505. In addition, n-type current blocking layers 506 and 507 are formed on the p-type buried semiconductor layers 504 and 505. The p-type semiconductor layer 508 is formed over the core 503 and the n-type current blocking layers 506 and 507.
また、p型半導体層508の上には、コンタクト層509により接続するp型電極511が形成されている。ここで、活性層503が形成されている領域以外のp型電極511とコンタクト層509との間には、絶縁層510が形成されている。また、p型埋め込み半導体層504,505の形成領域より延在して形成されているn型半導体層502には、n型電極512が接続されている。 Further, a p-type electrode 511 connected by a contact layer 509 is formed on the p-type semiconductor layer 508. Here, an insulating layer 510 is formed between the p-type electrode 511 and the contact layer 509 other than the region where the active layer 503 is formed. Further, an n-type electrode 512 is connected to an n-type semiconductor layer 502 formed extending from the formation region of the p-type buried semiconductor layers 504 and 505.
この半導体光素子では、n型半導体層502およびp型半導体層508により、活性層503に対して基板の平面に垂直な方向で電流が注入される構成となっている。この構造としても、狭線幅のレーザを実現することができる。 In this semiconductor optical device, the n-type semiconductor layer 502 and the p-type semiconductor layer 508 are configured to inject current into the active layer 503 in a direction perpendicular to the plane of the substrate. Even with this structure, a narrow linewidth laser can be realized.
基板(不図示)およびクラッド層501は、例えば、鉄をドープすることで半絶縁性としたInPから構成され、コア522は、InGaAsPから構成されている。また、活性層503は、InGaAsPからなる層厚6nmの井戸層厚および層厚9nmのバリア層厚が8層積層された量子井戸構造とされている。活性層503の発光波長は1.55μmである。 The substrate (not shown) and the cladding layer 501 are made of, for example, InP made semi-insulating by doping iron, and the core 522 is made of InGaAsP. The active layer 503 has a quantum well structure in which eight layers of a well layer made of InGaAsP with a thickness of 6 nm and a barrier layer with a thickness of 9 nm are stacked. The emission wavelength of the active layer 503 is 1.55 μm.
また、例えば、n型半導体層502は、Siが1×1018cm-3程度ドープされたn−InPから構成され、p型半導体層508は、Znが1×1018cm-3程度ドープされたp−InPから構成されている。また、p型埋め込み半導体層504,505は、Znが1×1018cm-3程度ドープされたp−InPから構成され、n型電流阻止層506,507は、Siが1×1018cm-3程度ドープされたn−InPから構成されている。 For example, the n-type semiconductor layer 502 is made of n-InP doped with Si by about 1 × 10 18 cm −3 , and the p-type semiconductor layer 508 is doped with Zn by about 1 × 10 18 cm −3. P-InP. The p-type buried semiconductor layers 504 and 505 are made of p-InP doped with about 1 × 10 18 cm −3 of Zn, and the n-type current blocking layers 506 and 507 are made of Si of 1 × 10 18 cm −. It consists of n-InP doped about 3 times.
また、コンタクト層509は、Znが1×1019cm-3程度ドープされたp−InGaAsから構成されている。また、絶縁層510は、例えば、SiO2から構成されている。 The contact layer 509 is made of p-InGaAs doped with about 1 × 10 19 cm −3 of Zn. The insulating layer 510 is made of, for example, SiO 2 .
各化合物半導体層は、例えば、よく知られた有機金属気相成長法による結晶成長で形成されている。また、各導波路構造および回折格子の形成には、公知のリソグラフィー技術およびウエットエッチング,ドライエッチングによるパターニングが用いられている。また、p型埋め込み半導体層504,505およびn型電流阻止層506,507は、上述したパターニングなどにより活性層503などを形成した後のn−InPおよびp−InPの埋め込み再成長により形成することができる。 Each compound semiconductor layer is formed, for example, by crystal growth by a well-known metal organic chemical vapor deposition method. In addition, each of the waveguide structures and the diffraction grating is formed by using a known lithography technique and patterning by wet etching or dry etching. The p-type buried semiconductor layers 504 and 505 and the n-type current blocking layers 506 and 507 are formed by buried regrowth of n-InP and p-InP after the active layer 503 and the like are formed by the above-described patterning or the like. Can do.
[実施の形態13]
次に、本発明の実施の形態13について、図19を用いて説明する。図19は、本発明の実施の形態13における半導体光素子を示す断面図である。
[Embodiment 13]
Next, Embodiment 13 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 19 is a sectional view showing a semiconductor optical device according to the thirteenth embodiment of the present invention.
この半導体光素子は、まず、クラッド層501a,コア532,クラッド層501bよりなる光導波路521を備える。コア532は、層状とされ、クラッド層501aとクラッド層501bとに挾まれている。他の構成は、前述した実施の形態12と同様である。実施の形態13によれば、コア532は埋め込み構造ではないため、埋め込み工程が不要であり、素子作製が容易となる。 This semiconductor optical device includes an optical waveguide 521 including a cladding layer 501a, a core 532, and a cladding layer 501b. The core 532 has a layered shape and is sandwiched between the cladding layer 501a and the cladding layer 501b. Other configurations are the same as those of the twelfth embodiment. According to the thirteenth embodiment, since the core 532 does not have an embedded structure, an embedding process is unnecessary, and device fabrication is facilitated.
[実施の形態14]
次に、本発明の実施の形態14について、図20を用いて説明する。図20は、本発明の実施の形態14における半導体光素子を示す断面図である。
[Embodiment 14]
Next, a fourteenth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 20 is a sectional view showing a semiconductor optical device according to the fourteenth embodiment of the present invention.
この半導体光素子は、まず、クラッド層501,コア522,上部クラッド層523よりなる光導波路521を備える。コア522は、クラッド層501の上でクラッド層523に埋め込まれている。上部クラッド層523は、アンドープのInPから構成すれば良い。他の構成は、前述した実施の形態12と同様である。実施の形態14によれば、前述した実施の形態4と同様であり、高抵抗InPによる埋め込み工程が不要であり、素子作製が容易となる。 The semiconductor optical device includes an optical waveguide 521 including a cladding layer 501, a core 522, and an upper cladding layer 523. The core 522 is embedded in the cladding layer 523 on the cladding layer 501. The upper cladding layer 523 may be made of undoped InP. Other configurations are the same as those of the twelfth embodiment. According to the fourteenth embodiment, similar to the fourth embodiment described above, the embedding process with high resistance InP is unnecessary, and the device fabrication is facilitated.
以上に説明したように、本発明によれば、コアよりなる光導波路とは別に、光導波路の導波方向に所定距離延在してコアと光結合可能な状態に配置された活性層を設け、活性層に接してp型半導体層およびn型半導体層を形成したので、埋め込み導波路構造の半導体光素子における導波路損失が低減できるようになる。 As described above, according to the present invention, apart from the optical waveguide made of the core, an active layer is provided that extends in the waveguide direction of the optical waveguide for a predetermined distance so as to be optically coupled to the core. Since the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer are formed in contact with the active layer, the waveguide loss in the semiconductor optical device having the buried waveguide structure can be reduced.
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious.
例えば、上述では、活性層をInGaAsPから構成したが、これに限るものではなく、InAlGaAsなど、その他の光半導体材料が適用可能であることは言うまでもない。動作波長も1.55μmに限らず、材料選択により自由に設計可能である。また、回折格子の形態においては、上層の半導体層に回折格子パターンを形成したが、これより上層に形成したSiN,SiO2などから構成した保護膜に、回折格子パターンを形成してもよい。また、コアや活性層上に、埋め込み回折格子を形成することも可能であることは言うまでもない。また、DFBレーザ構造を例に説明したが、これに限るものではなく、本発明は、導波路損の低い活性層用導波路を実現する点であり、この他のレーザの活性層領域や、光増幅領域として適用できることも明らかである。 For example, in the above description, the active layer is made of InGaAsP. However, the present invention is not limited to this, and it goes without saying that other optical semiconductor materials such as InAlGaAs are applicable. The operating wavelength is not limited to 1.55 μm, and can be freely designed by selecting a material. In the form of the diffraction grating, the diffraction grating pattern is formed in the upper semiconductor layer. However, the diffraction grating pattern may be formed in a protective film made of SiN, SiO 2 or the like formed in the upper layer. Needless to say, a buried diffraction grating can be formed on the core or the active layer. Although the DFB laser structure has been described as an example, the present invention is not limited to this, and the present invention is to realize a waveguide for an active layer with a low waveguide loss. The active layer region of other lasers, It is also clear that it can be applied as an optical amplification region.
100…基板、101…クラッド層、102…コア、103…活性層、104…半導体層、105…n型半導体層、106…p型半導体層、107…コンタクト層、108…コンタクト層、109…n型電極、110…p型電極、111…保護膜、121…光導波路、131…共振器領域、132…回折格子パターン。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Substrate, 101 ... Clad layer, 102 ... Core, 103 ... Active layer, 104 ... Semiconductor layer, 105 ... N-type semiconductor layer, 106 ... P-type semiconductor layer, 107 ... Contact layer, 108 ... Contact layer, 109 ... n 110, p-type electrode, 111, protective film, 121, optical waveguide, 131, resonator region, 132, diffraction grating pattern.
Claims (6)
前記光導波路の導波方向に所定距離延在して前記コアと光結合可能な状態に配置された活性層と、
前記活性層に接して形成されたp型半導体層およびn型半導体層と、
前記活性層の下面および上面の少なくとも一方に接して形成された半導体層と、
前記n型半導体層に接続するn型電極と、
前記p型半導体層に接続するp型電極と
を備え、
前記p型半導体層および前記n型半導体層は、前記基板の平面に平行な方向で前記活性層を挾んで形成され、
前記活性層には、前記基板の平面に平行な方向で電流が注入され、
前記コアは、前記p型半導体層より離間して形成されていることを特徴とする半導体光素子。 An optical waveguide comprising a core formed on a substrate;
An active layer extending in a waveguide direction of the optical waveguide and arranged in a state capable of optically coupling with the core;
A p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer formed in contact with the active layer;
A semiconductor layer formed in contact with at least one of the lower surface and the upper surface of the active layer;
An n-type electrode connected to the n-type semiconductor layer;
A p-type electrode connected to the p-type semiconductor layer ,
The p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer are formed with the active layer sandwiched in a direction parallel to the plane of the substrate,
Current is injected into the active layer in a direction parallel to the plane of the substrate,
The core semiconductor optical device characterized that you have been formed spaced from the p-type semiconductor layer.
前記コアは、前記基板と前記活性層との間に配置されていることを特徴とする半導体光素子。 The semiconductor optical device according to claim 1,
The semiconductor optical device, wherein the core is disposed between the substrate and the active layer.
前記活性層の上面に接して形成された前記半導体層は、側面が前記p型半導体層および前記n型半導体層に接し、かつp型とされていることを特徴とする半導体光素子。 The semiconductor optical device according to claim 2 ,
The semiconductor optical element , wherein the semiconductor layer formed in contact with the upper surface of the active layer has a side surface in contact with the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer and is p-type .
前記コアは、前記基板の側から見て前記活性層の上に配置されていることを特徴とする半導体光素子。 The semiconductor optical device according to claim 1,
The semiconductor optical device, wherein the core is disposed on the active layer when viewed from the substrate side.
前記活性層の下面に接して形成された前記半導体層は、側面が前記p型半導体層および前記n型半導体層に接し、かつp型とされている
ことを特徴とする半導体光素子。 The semiconductor optical device according to claim 4,
The semiconductor optical element formed in contact with the lower surface of the active layer has a side surface in contact with the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer and is p-type .
前記p型半導体層および前記n型半導体層は、InPから形成されている
ことを特徴とする半導体光素子。 The semiconductor optical device according to any one of claims 1 to 5 ,
The p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer, a semiconductor optical device characterized by that formed from InP.
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